CN110146926B - 一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车及测量方法，其中，车身安装有无人车运动***以及供电装置；多方向磁场测量装置,在接地网注入电流产生磁场后,采集接地网产生的磁场信息并传输给无人车控制***；无人车位置测量装置,实时测量无人车的当前位置,并将无人车的位置传输给无人车控制***；无人车控制***，根据磁场信息计算得到接地网的交点，根据磁场信息实时控制无人车运动***改变运动路径，根据接地网的交点和无人车位置信息绘制出接地网的拓扑结构图。本发明减少了检测的人力物力，加快了接地网检测的速度，从而实现了在绘制接地网拓扑结构图后随时对接地网开挖检测与维护。
Description
技术领域
本发明涉及电力***自动检测技术领域，具体涉及一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车及测量方法。
背景技术
接地网是变压站的一个非常重要的组成部分，变电站接地***的性能好坏在很大程度上决定着电力***运行的安全可靠性。接地网一般采用钢作为接地的材料，将多段的钢材进行焊接连接成网状布置在土壤中，由于接地网是埋在地下，经过长时间的运行，这些金属会在土壤中发生电化学腐蚀。
运行10年以上变电站都需要进行接地网腐蚀检测，当接地网可能被一定程度腐蚀时，需要进行进一步的开挖检查。但是因为一些变电站内接地网设计图纸保存不够完善，导致开挖检查难度加大，并且需要大量的人力物力，需要一种可以自动检测接地网拓扑结构的装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车，通过自动测量区域内接地网产生的磁场，绘制出接地网的拓扑结构图。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车，包括：
车身,安装有无人车运动***以及供电装置,通过无人车运动***带动车身移动，通过供电装置给整个无人车供电；
多方向磁场测量装置,在接地网注入电流产生磁场后,采集接地网产生的磁场信息并传输给无人车控制***；
无人车位置测量装置,实时测量无人车的当前位置,并将无人车的位置传输给无人车控制***；
无人车控制***，获取磁场信息以及无人车位置信息并对应记录和储存，根据磁场信息计算得到接地网的交点，根据磁场信息实时控制无人车运动***改变运动路径，根据接地网的交点和无人车位置信息绘制出接地网的拓扑结构图。
可选的，所述多方向磁场测量装置包括磁场测量线圈、磁场测量模块供电***、采集控制模块、数据传输模块，其中，所述磁场测量线圈设有两个且相互垂直以实现同时测量垂直两个方向上的磁场大小，所述磁场测量模块供电***通过将供电装置的供电电压变换后为多方向磁场测量装置供电，所述采集控制模块定时采集磁场测量线圈产生的感应电流转换后的数字信号，所述数据传输模块用于将采集得到的磁场信息传输给无人车控制***处理。
可选的，当多方向磁场测量装置中的磁场测量线圈与感应磁场B方向夹角为θ的时候，磁场幅值为B，则
B＝Bm sin(2πfct)
所以通过磁场测量线圈的总磁通量Ψ
Ψ＝NSB cosθ＝NSBm sin(2πfct)sinθ
其中，s为检测线圈的面积，N为检测线圈的总匝数，通过电磁感应定律来计算检测线圈产生的感应电动势，为
因为得到的感应电动势比较小，通过滤波电路放大A倍后，感应电压为vo，即vo＝Aε＝A·2πfcNSBmcos(2πfct)sinθ
假设输出电压幅值为vom，则感应磁场幅值大小Bm与vom之间的关系为：
Bm＝vom/(ksinθ)
其中，
k＝2πfcNSA
在检测过程中，通过改变磁场测量线圈与感应磁场之间的夹角，当输出电压达到最大时，即可确定磁场方向，此时θ为90°，此时有，
Bm＝vom/k
则当输出电压达到最大时则是此方向磁场峰值点。
可选的，通过一个方向的多个磁场测量线圈得到一个方向的磁场大小分布曲线，则磁场大小分布曲线的峰值点即为此方向的磁场峰值点，无人车的运动一直保持此方向的磁场峰值点位于曲线的中点。
可选的，所述的无人车运动***包括运动履带以及驱动运动履带转动带动无人车运动的功率驱动器。
可选的，在接地网边界设有至少三个定位桩,无人车位置测量装置通过实时检测布置的定位桩距离无人车的距离计算无人车此时自身的位置坐标。
可选的，所述无人车位置测量装置包括四个毫米波传感器，且安装在车身的前后左右四个方向。
可选的，所述供电装置包括储能电池以及给储能电池充电的太阳能发电装置。
本发明还提供了一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车进行测量的方法，采用一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车进行测量，包括如下步骤：
S1,无人车控制***根据接地网的范围规划出运动的范围，控制无人车运动***使无人车按照规划路径运动；
S2,接地网接收电流产生磁场，通过多方向磁场测量装置采集磁场信息，并实时改变规划路径向不重复的磁场峰值点靠近，找到一个方向的峰值点后，沿着这个方向的峰行进，并找到另外一个垂直方向的峰值点，两个峰值点的交点即为接地网的交点；
S3,无人车位置测量装置实时测量当前无人车的位置；
S4,处理所有无人车记录的位置以及对应的磁场信息，绘制出接地网的拓扑结构图。
可选的，所述无人车控制***根据多方向磁场测量装置实时测量的垂直的两个方向的磁场数据，得到磁场增大的方向和接地网一段平行轴线方向,所述无人车控制***根据测量的磁场数据实时改变自己的运动路径。
本发明采用上述技术方案，具有如下有益效果：
1、通过自动测量区域内接地网产生的磁场以及对无人车的精确定位，实现了对接地网拓扑结构的自动检测功能，绘制出接地网的拓扑结构图，降低了在没有接地网设计图纸时只能整个开挖检查腐蚀程度的难度，减少了检测的人力物力，加快了接地网检测的速度，从而实现了在绘制接地网拓扑结构图后随时对接地网开挖检测与维护。
2、两个且相互垂直磁场测量线圈的可以实现同时测量垂直两个方向上的磁场大小，能够精确定位轴向磁场的两个垂直方向的峰值位置，实时测量的周边的磁场大小曲线自动合理规划路径。
3、采用三角定位原理，三个定位桩呈直角状安置在接地网的周围的边角上，因而可以预先规划出无人车运动的范围，控制无人车运动***使无人车按照规划路径运动，在自动测量过程中通过基于毫米波传感器的无人车位置测量装置精确定位无人车的位置。
4、通过多方向磁场测量装置采集磁场信息，并实时改变规划路径向不重复的磁场峰值点靠近，找到一个方向的峰值点后，沿着这个方向的峰行进，并找到另外一个垂直方向的峰值点，因而能够智能规划路径，通过实时测量垂直两个方向磁场的数据和自身的位置信息，绘制出接地网的拓扑结构图，能够在没有人员干预的情况下完成自主的接地网拓扑结构检测。
5、无人车运动***采用两个相互独立运动履带为，可以通过调整速度差使无人车进行行进中转向或者原地转向，运动灵活，保证无人车可以按照规划路径精确运动。
6、采用太阳能发电装置给储能电池充电保持无人车正常工作，因而无需外接电源，节约能源。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1为本发明一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车的结构示意图；
图2为一个方向的多个测量线圈测得的磁场大小分布曲线图；
图3为当无人车按照一个方向的磁场峰值点运动时垂直方向的磁场大小变化曲线图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车，包括：
车身3：与无人车运动***6、多方向磁场测量装置5、供电装置2、无人车控制***4集成安装，通过无人车运动***带动车身移动，通过供电装置给整个无人车供电；
多方向磁场测量装置5,在接地网注入电流产生磁场后,采集接地网产生的磁场信息并传输给无人车控制***；
无人车位置测量装置1,实时测量当前无人车的位置,并将无人车的位置传输给无人车控制***；
无人车控制***，获取磁场信息以及无人车位置信息并对应记录和储存，根据磁场信息计算得到接地网的交点，根据磁场信息实时控制无人车运动***改变运动路径，根据接地网的交点和无人车位置信息绘制出接地网的拓扑结构图。
本发明是通过接地网激励源向接地网注入电流的。所述的接地网激励源包括：信号发生器、功率放大器，信号发生器用于产生1kHz的正弦波电流，功率放大器用于将产生的正弦波电流进行功率放大后通过接地网引下线注入到接地网中。激励源的正弦信号源来自于STM32F373RC微控芯片的DAC(Digital to analog converter，数模转换器)引脚，定时器来产生1kHz频率的交流信号，采用由OPA548T功率放大芯片组成的电路进行信号处理，得到激励信号。
所述多方向磁场测量装置5包括：磁场测量线圈、磁场测量模块供电***、采集控制模块、数据传输模块。所述的磁场测量线圈为两个，并且相互垂直可以同时测量垂直两个方向上的磁场大小。所述的磁场测量模块供电***通过将储能电池的供电电压变换后供给多方向磁场测量装置，所述采集控制模块包括多级带通滤波器、模数转换器，磁场测量线圈产生的感应电流通过滤波和模数转换后通过采集控制模块定时采集。所述的数据传输模块用于将采集得到的磁场信息传输给无人车控制***进行下一步处理。
当磁场测量装置中的检测线圈与感应磁场B方向夹角为θ的时候，磁场幅值为B，则
B＝Bm sin(2πfct)
所以通过检测线圈的总磁通量Ψ
Ψ＝NSB cosθ＝NSBmsin(2πfct)sinθ
其中，s为检测线圈的面积，N为检测线圈的总匝数，可以通过电磁感应定律来计算检测线圈产生的感应电动势，为
因为得到的感应电动势比较小，通过滤波电路放大A倍后，感应电压为vo，即vo＝Aε＝A·2πfcNSBmcos(2πfct)sinθ
假设输出电压幅值为vom，则感应磁场幅值大小Bm与vom之间的关系为：
Bm＝vom/(ksinθ)
其中，
k＝2πfcNSA
在检测过程中，通过改变检测线圈与感应磁场之间的夹角，当输出电压达到最大时，即可确定磁场方向，此时θ为90°，此时有，
Bm＝vom/k
则当输出电压达到最大时则是此方向磁场峰值点。
所述的磁场峰值点，可以通过一个方向的多个测量线圈得到一个方向的磁场大小分布曲线，则磁场大小分布曲线的峰值点即为此方向的磁场峰值点，无人车的运动一直保持此方向的磁场峰值点位于曲线的中点，则可以保证无人车一直处于此方向磁场的峰值位置，如图2所示。
为了方便无人车位置测量装置1实时测量当前无人车的位置，在接地网边界设有至少三个定位桩。在本实施例中，采用三角定位原理，三个定位桩呈直角状安置在接地网的周围的边角上，因而可以预先规划出无人车运动的范围，控制无人车运动***使无人车按照规划路径运动。
无人车位置测量装置1是采集定位桩信息的，在本实施例中，无人车位置测量装置包括四个毫米波传感器，且安装在车身的前后左右四个方向，通过实时检测布置的定位桩距离无人车的距离计算无人车此时自身的位置坐标。当然，本领域技术人员可以理解的是，也可以采用GPS、北斗等定位方式进行无人车位置定位。
其中，所述的无人车运动***6包括：功率驱动器、运动履带，所述的功率驱动器用于驱动运动履带转动带动无人车运动。进一步的，所述的运动履带为两个，并且两个履带相互独立，可以通过调整速度差使无人车进行行进中转向或者原地转向。因而运动灵活，保证无人车可以按照规划路径精确运动。当然，本领域技术人员可以理解的是，也可以采用轮式或者其他常规的无人车运动***。
所述的供电装置包括：太阳能发电装置、储能电池，所述的太阳能发电装置用于给储能电池充电保持无人车正常工作，储能电池用于给整个无人车供电。当然，本领域技术人员可以理解的是，可以设置外接电源接口，用于给储能电池充电。
实施例二
本发明提供一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车进行测量的方法，包括如下步骤：
步骤一，无人车控制***根据无人车位置测量装置1测量得到的接地网边界的三个定位桩的位置规划出运动的范围，控制无人车运动***6使无人车按照规划路径运动；
步骤二，接地网激励源注入电流产生磁场，通过多方向磁场测量装置5采集磁场信息，并实时改变规划路径向不重复的磁场峰值点靠近，找到一个方向的峰值点后，沿着这个方向的峰行进，并找到另外一个垂直方向的峰值点，两个峰值点的交点即为接地网的交点；
步骤三，无人车位置测量装置1实时测量当前无人车的位置，并将当前的磁场数据同时记录并储存下来；
步骤四，处理所有无人车记录的位置以及磁场的信息，绘制出接地网的拓扑结构图。
作为上述技术方案的补充，所述步骤一包括：
所述无人车控制***根据多方向磁场测量装置5实时测量的垂直的两个方向的磁场数据，得到磁场增大的方向和接地网一段平行轴线方向；
所述的磁场增大的方向，在无人车沿一个方向磁场峰值点运动时，垂直方向的磁场大小随运动距离的变化曲线如图3所示，可以通过判断磁场最大值的无人车的位置来确定垂直方向的接地网导体的位置，如图3例子可以看出垂直导体的位置位于0m以及15m处。因此，无人车控制***根据测量的磁场数据实时改变自己的运动路径，即实时改变规划路径向不重复的磁场峰值点靠近，找到一个方向的峰值点后，沿着这个方向的峰行进，并找到另外一个垂直方向的峰值点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (6)
1.一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车，其特征在于包括：
车身,安装有无人车运动***以及供电装置,通过无人车运动***带动车身移动，通过供电装置给整个无人车供电；
多方向磁场测量装置,在接地网注入电流产生磁场后,采集接地网产生的磁场信息并传输给无人车控制***；
无人车位置测量装置,实时测量无人车的当前位置,并将无人车的位置传输给无人车控制***；
无人车控制***，获取磁场信息以及无人车位置信息并对应记录和储存，根据磁场信息计算得到接地网的交点，根据磁场信息实时控制无人车运动***改变运动路径，根据接地网的交点和无人车位置信息绘制出接地网的拓扑结构图；
所述多方向磁场测量装置包括磁场测量线圈、磁场测量模块供电***、采集控制模块、数据传输模块，其中，所述磁场测量线圈设有两个且相互垂直以实现同时测量垂直两个方向上的磁场大小，所述磁场测量模块供电***通过将供电装置的供电电压变换后为多方向磁场测量装置供电，所述采集控制模块定时采集磁场测量线圈产生的感应电流转换后的数字信号，所述数据传输模块用于将采集得到的磁场信息传输给无人车控制***处理，当多方向磁场测量装置中的磁场测量线圈与感应磁场B方向夹角为θ的时候，磁场幅值为B，则
B＝Bm sin(2πfct)
所以通过磁场测量线圈的总磁通量Ψ
Ψ＝NSB cosθ＝NSBm sin(2πfct)sinθ
其中，s为检测线圈的面积，N为检测线圈的总匝数，通过电磁感应定律来计算检测线圈产生的感应电动势，为
因为得到的感应电动势比较小，通过滤波电路放大A倍后，感应电压为vo，即
vo＝Aε＝A·2πfcNSBmcos(2πfct)sinθ
假设输出电压幅值为vom，则感应磁场幅值大小Bm与vom之间的关系为：
Bm＝vom/(k sinθ)
其中，
k＝2πfcNSA
在检测过程中，通过改变磁场测量线圈与感应磁场之间的夹角，当输出电压达到最大时，即可确定磁场方向，此时θ为90°，此时有，
Bm＝vom/k
则当输出电压达到最大时则是此方向磁场峰值点；
通过一个方向的多个磁场测量线圈得到一个方向的磁场大小分布曲线，则磁场大小分布曲线的峰值点即为此方向的磁场峰值点，无人车的运动一直保持此方向的磁场峰值点位于曲线的中点；
在接地网边界设有至少三个定位桩,无人车位置测量装置通过实时检测布置的定位桩距离无人车的距离计算无人车此时自身的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车，其特征在于：所述的无人车运动***包括运动履带以及驱动运动履带转动带动无人车运动的功率驱动器。
3.根据权利要求1所述的一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车，其特征在于：所述无人车位置测量装置包括四个毫米波传感器，且安装在车身的前后左右四个方向。
4.根据权利要求1所述的一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车，其特征在于：所述供电装置包括储能电池以及给储能电池充电的太阳能发电装置。
5.一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车进行测量的方法，其特征在于，采用权利要求1至4中任意一项所述的一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车进行测量，包括如下步骤：
S1,无人车控制***根据接地网的范围规划出运动的范围，控制无人车运动***使无人车按照规划路径运动；
S2,接地网接收电流产生磁场，通过多方向磁场测量装置采集磁场信息，并实时改变规划路径向不重复的磁场峰值点靠近，找到一个方向的峰值点后，沿着这个方向的峰行进，并找到另外一个垂直方向的峰值点，两个峰值点的交点即为接地网的交点；
S3,无人车位置测量装置实时测量当前无人车的位置；
S4,处理所有无人车记录的位置以及对应的磁场信息，绘制出接地网的拓扑结构图。
6.根据权利要求5所述的一种检测接地网拓扑结构的自动测量无人车进行测量的方法，其特征在于：所述无人车控制***根据多方向磁场测量装置实时测量的垂直的两个方向的磁场数据，得到磁场增大的方向和接地网一段平行轴线方向,所述无人车控制***根据测量的磁场数据实时改变自己的运动路径。
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| 基于多层可级联PCB空心线圈的磁场测量单元设计;徐嘉龙等;《高压电器》;20161116;第52卷(第11期);第81-87页 * |
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