無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障方法

鄭天茹，孫立民，婁婷婷，張明江，郭 翔

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障方法

鄭天茹1，孫立民2，婁婷婷1，張明江1，郭 翔3

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

我國(guó)國(guó)土遼闊，電網(wǎng)規(guī)模大，利用無人機(jī)等自動(dòng)化和現(xiàn)代化設(shè)備進(jìn)行巡線維護(hù)已日益顯示出其迫切性。為保障無人機(jī)巡線系統(tǒng)及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對(duì)輸電導(dǎo)線的避障成為一個(gè)亟待解決的重要課題。根據(jù)帶電導(dǎo)線周圍電場(chǎng)環(huán)境的特殊性，利用導(dǎo)線間距與電場(chǎng)強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，研究了一種無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障方法。通過電場(chǎng)測(cè)量避障裝置的數(shù)據(jù)計(jì)算處理，及與無人機(jī)飛控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互和判斷，確定是否需要進(jìn)行避障動(dòng)作，并以實(shí)例分析說明該方法適用于電力巡線無人機(jī)在對(duì)輸電線路巡查時(shí)對(duì)帶電導(dǎo)線的規(guī)避。

無人機(jī)；輸電線路；電場(chǎng)測(cè)量；避障

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓輸電導(dǎo)線電磁環(huán)境的研究和分析已取得了一定的成果，但高壓輸電導(dǎo)線電磁環(huán)境對(duì)于有人機(jī)、無人機(jī)影響的研究還不多，僅有對(duì)利用導(dǎo)線間距與電磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)計(jì)算處理確定無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)是否需要避障動(dòng)作的研究［1］；以及通過檢測(cè)飛機(jī)所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化與仿真結(jié)果對(duì)比，進(jìn)而進(jìn)行對(duì)位置檢測(cè)和判斷［2］。在輸電線路實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電壓大小基本保持在指定的電壓等級(jí)水平，但電流的大小是隨著負(fù)載的變化而實(shí)時(shí)變化的，因而磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)值也隨之實(shí)時(shí)變化，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性不高。

研究一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障裝置，并說明其避障原理及方法，主要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對(duì)輸電導(dǎo)線的避障，避免無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)，由于GPS導(dǎo)航誤差、陣風(fēng)過大、飛行高度不夠等因素導(dǎo)致執(zhí)行任務(wù)的過程中出現(xiàn)偏離預(yù)定航向，甚至無人機(jī)與輸電線路碰撞情況的發(fā)生，保障了無人機(jī)巡線系統(tǒng)及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，保證人身、電網(wǎng)和設(shè)備的安全。

1 用于電力巡線的無人機(jī)

無人機(jī)巡檢系統(tǒng)主要包括飛行平臺(tái)和控制系統(tǒng)、機(jī)載檢測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、飛行保障系統(tǒng) 5 個(gè)部分，如圖 1 所示［3-5］。

圖1 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中：飛行平臺(tái)和控制系統(tǒng)用于執(zhí)行飛行任務(wù)；機(jī)載檢測(cè)設(shè)備裝載于飛行平臺(tái)上，用于檢測(cè)輸電線路；通信系統(tǒng)是飛行平臺(tái)和機(jī)載檢測(cè)系統(tǒng)與地面聯(lián)絡(luò)和數(shù)據(jù)交換的工具；巡線應(yīng)用系統(tǒng)是作業(yè)人員直接操作巡線作業(yè)的人機(jī)交互系統(tǒng)；保障系統(tǒng)用于保障整套無人機(jī)巡線系統(tǒng)飛行、巡檢、維護(hù)等。

2 電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)

圖2 電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，電場(chǎng)測(cè)量傳感器將所測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值輸入信號(hào)處理單元，提取工頻范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值后，通過A/D轉(zhuǎn)化單元輸入DSP數(shù)據(jù)處理模塊，一段時(shí)間間隔后，電場(chǎng)測(cè)量傳感器再次將所測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值輸入信號(hào)處理單元，提取工頻范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值后，通過A/D轉(zhuǎn)化單元也輸入DSP數(shù)據(jù)處理模塊，結(jié)合兩次測(cè)量結(jié)果及無人機(jī)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，按照算法處理，生成的避障判斷結(jié)果輸入飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)，進(jìn)而將避障指令發(fā)送給舵機(jī)控制器，由其控制伺服舵機(jī)來改變無人機(jī)平臺(tái)的飛行狀態(tài)。同時(shí)，飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)會(huì)將數(shù)字羅盤、三軸陀螺儀、速度及加速度計(jì)、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計(jì)、轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器和PCM遙控接收機(jī)的狀態(tài)信息，以及避障判斷的信息一同通過數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行與地面站之間的交互。

3 電場(chǎng)測(cè)量避障方法

電場(chǎng)測(cè)量避障方法分為4個(gè)步驟進(jìn)行。

1）巡檢無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)，機(jī)身與輸電導(dǎo)線方向基本平行。

2）設(shè)置DSP數(shù)據(jù)處理模塊中，計(jì)算電場(chǎng)變化率時(shí)所采用兩數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔Δt。

3）電場(chǎng)測(cè)量傳感器將所測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值輸入信號(hào)處理單元，提取工頻范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值后送入DSP數(shù)據(jù)處理模塊中。DSP數(shù)據(jù)處理模塊中的判斷算法為：

取t時(shí)刻工頻電場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)得數(shù)值為m，t+Δt時(shí)刻工頻電場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)得數(shù)值為n，并在t+Δt時(shí)刻取無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)提供的無人機(jī)實(shí)時(shí)飛行速率記為v，數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)化模塊進(jìn)行判斷：v=0時(shí)，輸出“安全”指令；v≠0 且 |m-n|/（v·Δt）

4）避障指令由DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸出給機(jī)載飛控系統(tǒng)，進(jìn)而由無人機(jī)舵機(jī)控制器控制伺服舵機(jī)進(jìn)行下一步動(dòng)作，指令為“安全”時(shí)，繼續(xù)當(dāng)前飛行任務(wù)；指令為“避障”時(shí)，先將無人機(jī)懸停，通過實(shí)時(shí)傳回的視頻判斷發(fā)出“原路返航”或“臨時(shí)調(diào)整路線”的指令。

對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的限值C，通過對(duì)輸電導(dǎo)線建立電場(chǎng)計(jì)算模型［6-7］，進(jìn)而進(jìn)行仿真計(jì)算得到該值。

3.1 模型建立與仿真計(jì)算

結(jié)合實(shí)際輸電線路所用典型塔型，對(duì)輸電導(dǎo)線做仿真建模，仿真計(jì)算利用Ansoft Maxwell電磁場(chǎng)計(jì)算軟件，最終得到電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的限值C。

3.1.1 220kV輸電導(dǎo)線仿真計(jì)算

對(duì)220kV輸電導(dǎo)線進(jìn)行仿真建模，得無人機(jī)巡檢220kV輸電導(dǎo)線時(shí)，與輸電導(dǎo)線間距和電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 220kV輸電導(dǎo)線間距和電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

取C為距導(dǎo)線20m時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度變化率數(shù)值，即C220=29。

3.1.2 500kV輸電導(dǎo)線仿真計(jì)算

對(duì)500kV輸電導(dǎo)線進(jìn)行仿真建模，得到無人機(jī)巡檢500kV輸電導(dǎo)線時(shí)，與輸電導(dǎo)線間距和電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 500kV輸電導(dǎo)線間距和電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

取C為距導(dǎo)線24m時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度變化率數(shù)值，即C500=56。

3.1.3 750kV輸電導(dǎo)線仿真計(jì)算

對(duì)750kV輸電導(dǎo)線進(jìn)行仿真建模，得到無人機(jī)巡檢750kV輸電導(dǎo)線時(shí)，與輸電導(dǎo)線間距和電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。

取C為距導(dǎo)線27m時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度變化率數(shù)值，即C750=77。

3.1.4 1000kV輸電導(dǎo)線仿真計(jì)算

對(duì)1 000kV輸電導(dǎo)線進(jìn)行仿真建模，得到無人機(jī)巡檢1 000kV輸電導(dǎo)線時(shí)，與輸電導(dǎo)線間距和電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6所示。

圖5 750kV輸電導(dǎo)線間距和電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6 1 000kV輸電導(dǎo)線間距和電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

取C為距導(dǎo)線32m時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度變化率數(shù)值，即C1000=81。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與仿真結(jié)果對(duì)比

3.2.1 220kV線路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與仿真結(jié)果對(duì)比

將電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)搭載于無人機(jī)上對(duì)實(shí)際220kV線路進(jìn)行檢測(cè)，為驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的實(shí)用性，設(shè)定無人機(jī)飛行路線為垂直于輸電線路走向，與邊項(xiàng)導(dǎo)線等高，由距離邊項(xiàng)導(dǎo)線70m靠近至16m（選擇該距離范圍是為了保障無人機(jī)的安全，且能夠驗(yàn)證中途是否在預(yù)想位置收到電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)）。為減小飛行誤差，飛行條件為：天氣晴朗無風(fēng)；巡視220kV線路典型直線桿塔某檔距中間處的導(dǎo)線；設(shè)定 C220=29，Δt=0.1s，進(jìn)行飛行測(cè)試。

飛行中途無人機(jī)收到電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)，進(jìn)行懸停后選擇原路返回，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7 220kV線路仿真、實(shí)測(cè)電場(chǎng)變化率對(duì)比圖

在距離輸電導(dǎo)線較遠(yuǎn)處，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可能測(cè)試到周圍其他電場(chǎng)源的雜波信號(hào)，略有波動(dòng)。由圖7可知，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。且電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)也能夠按照預(yù)設(shè)距離產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，說明了電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)及仿真數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。

3.2.2 500kV線路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與仿真結(jié)果對(duì)比

將電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)搭載于無人機(jī)上對(duì)實(shí)際500kV線路進(jìn)行檢測(cè)，為驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的實(shí)用性，設(shè)定無人機(jī)飛行路線為垂直于輸電線路走向，與邊項(xiàng)導(dǎo)線等高，由距離邊項(xiàng)導(dǎo)線70m靠近至20m。為減小飛行誤差，飛行條件為：天氣晴朗無風(fēng)；巡視500kV線路典型直線桿塔某檔距中間處的導(dǎo)線；設(shè)定C500=56，Δt=0.1s，進(jìn)行飛行測(cè)試。飛行測(cè)試與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

圖8 500kV線路仿真、實(shí)測(cè)電場(chǎng)變化率對(duì)比圖

由圖8可知，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。且電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)也能夠按照預(yù)設(shè)距離產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，說明了電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)及仿真數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)一套用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)是根據(jù)帶電導(dǎo)線周圍電場(chǎng)環(huán)境的特殊性設(shè)計(jì)，且所用元器件體積小、簡(jiǎn)單輕便，既能夠克服超聲波測(cè)距、紅外測(cè)距和激光測(cè)距設(shè)備檢測(cè)正確率低的問題，又能夠避免微波雷達(dá)測(cè)距設(shè)備體積、重量過大，不便于無人機(jī)搭載的弊端。利用該系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)視頻中很難識(shí)別的導(dǎo)線的避障，提升巡線作業(yè)的可靠性，保障輸電線路及無人機(jī)巡線系統(tǒng)的安全。

無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障方法中，用于判斷無人機(jī)是否需要對(duì)輸電導(dǎo)線避障的測(cè)量參數(shù)為無人機(jī)所處位置電場(chǎng)強(qiáng)度的變化率，首先利用針對(duì)某條輸電線路較穩(wěn)定的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值，其次采用計(jì)算變化率的方法可排除空間內(nèi)可能存在的其他近似頻率的電場(chǎng)強(qiáng)度的干擾，使計(jì)算數(shù)值準(zhǔn)確可靠，且以220kV、500kV電壓等級(jí)的輸電導(dǎo)線為例，提供了用于對(duì)比判斷的仿真計(jì)算結(jié)果，為后續(xù)研究提供一定參考依據(jù)。

［1］ 張柯，李海峰，王偉.淺議直升機(jī)作業(yè)在我國(guó)特高壓電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］．高電壓技術(shù)，2006，32（6）：45-46，55.

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Determining Method of Safety Region for Power Line Inspection with UAV

ZHENG Tianru1，SUN Limin2，LOU Tingting1，ZHANG Mingjiang1，GUO Xiang3
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.State Grid of China Technology College，Jinan 250002，China；3.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

The vast territory and large-scale power grid issued urgent requirement for using automated modern equipment such as UAV for inspection and maintenance of the transmission lines.In order to ensure the safety of the UAV system and transmission lines while promoting the reliability of inspection，realization of UAV to transmission wire obstacle avoidance becomes an important issue to be settled urgently.A determining method of the safe region for UAV power line inspection suitable for UAV working in the complex electro-magnetic field around the charged conductors is established via analyzing the corresponding relationship between wire spacing and electric field intensity.The obstacle avoidance action is performed according to the decision made through the calculation of the electric field measurement and the obstacle avoidance device and the data interaction and judgment by UAV flight control system.The example analysis shows that it is a practical method for the UAV to avoid the energized conductor during the power line inspection.

UAV；transmission lines；electric field measurement；obstacle avoidance

TM75

：A

：1007－9904（2017）07－0021－04

2017-03-04

鄭天茹（1986），女，工程師，從事無人機(jī)電力巡檢研究相關(guān)工作。