輸電線路巡檢無人機(jī)電磁場(chǎng)避障與路徑規(guī)劃

董靈鵬，丁 建，湯培良，曹浩楠，鄒國(guó)平，楊仕友

（1.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232；3.杭州格創(chuàng)新能源有限公司，杭州 310019）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，電網(wǎng)的規(guī)模和輸送能力日益壯大。以浙江為例，2010—2020 年浙江省電力有限公司110～1 000 kV架空輸電線路從28 903 km 增長(zhǎng)到超過50 000 km，整體增長(zhǎng)超過1.7 倍。但相應(yīng)的輸電線路運(yùn)檢人員的數(shù)量并沒有成比例增長(zhǎng)，且高壓線路走廊經(jīng)?？缭酵ㄐ琶^(qū)、交通死區(qū)和無人區(qū)，線路的運(yùn)維和故障排查異常困難，因此傳統(tǒng)的人工巡線方式難以滿足要求[1-2]。而無人機(jī)線路巡檢具有精度高、視角寬廣、安全性好和不受地形環(huán)境限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。

考慮到圖像的清晰度與飛行的安全性，一般要求無人機(jī)與輸電線的距離控制在10～30 m[6-7]。某電力科學(xué)研究院已開展基于無人機(jī)平臺(tái)的多傳感器集成巡檢系統(tǒng)研究，并取得了階段性成果[8-9]，但輸電線路的精確距離控制還是一個(gè)難題。激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)從2005 年開始逐漸應(yīng)用到輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)中，但其不能直觀地表示障礙物，且不適用于移動(dòng)測(cè)量[10-13]。三維空間掃描可以準(zhǔn)確地給出障礙物與輸電線路的相對(duì)距離，但掃描系統(tǒng)價(jià)格昂貴，動(dòng)輒數(shù)百萬美元，且儀器的質(zhì)量、體積和功率均較大，不宜搭載在無人機(jī)上[14-15]。紅外檢測(cè)技術(shù)具有非接觸性、安全可靠、檢測(cè)速度快、判斷準(zhǔn)確和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但其后續(xù)的數(shù)據(jù)處理比較繁瑣。超聲波測(cè)距傳感器的原理是利用聲波的扇形發(fā)射特性，可采用無人機(jī)搭載超聲波測(cè)距傳感器的方式實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與輸電線的凈空距離測(cè)量，但由于超聲波傳感器測(cè)距范圍有限（一般不超過10 m），難以滿足無人機(jī)和輸電線路對(duì)安全距離的要求[16-17]。

為此，本文通過對(duì)500 kV 輸電線路進(jìn)行建模仿真分析，研究其電場(chǎng)大小和分布狀況，提出了一種直接利用電場(chǎng)有效值與高度來確定無人機(jī)安全飛行距離的方法，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。該法可作為無人機(jī)巡檢距離控制的有效手段。

1 輸電線路電場(chǎng)仿真分析

線路模型選取500 kV 北侖電廠—市北線同塔雙回輸變電通道線路。其中直線塔選用典型的546DC-SJS1 塔，呼高33 m，導(dǎo)線為正向序排列。導(dǎo)線采用4×JL/LG-630/45 鋼芯鋁絞線，總截面積674 mm2，導(dǎo)線外徑33.8 mm，直流電阻0.045 9 Ω/km，分裂股數(shù)為四分裂；地線采用JLB35-120鋁包鋼絞線，總截面積121.21 mm2，外徑14.250 mm，導(dǎo)線直流電阻0.412 1 Ω/km。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在Maxwell 中建立500 kV 輸電線路直線塔模型，建模時(shí)導(dǎo)線簡(jiǎn)化設(shè)置成鋁導(dǎo)線，忽略絕緣子、金具，并在導(dǎo)線上施加500 kV的電壓激勵(lì)[16-18]。

為了驗(yàn)證二維模型的準(zhǔn)確性，采用Maxwell分別建立500 kV 高壓線路的二維與三維模型進(jìn)行對(duì)比。

1.1 高壓輸電線路二維與三維電場(chǎng)對(duì)比計(jì)算

1.1.1 輸電線路三維電場(chǎng)計(jì)算

選取500 kV 輸電線路建模，考慮到仿真軟件的計(jì)算能力，基于實(shí)際模型對(duì)桿塔和周邊環(huán)境做簡(jiǎn)化處理。輸電線路每段500 m，取2 段線路進(jìn)行建模，如圖1 所示。

圖1 500 kV 高壓輸電線路3D 仿真模型

由于每一時(shí)刻下得到的電場(chǎng)強(qiáng)度為瞬時(shí)值，在電場(chǎng)求解時(shí)，可按A 相初始相角為0°施加電壓載荷，求解器設(shè)置為靜態(tài)電場(chǎng)。計(jì)算得到高度H=50.9 m、水平距離線路中心Y=20 m 處的電場(chǎng)值如圖2 所示。

由于計(jì)算機(jī)剖分能力有限，計(jì)算得出的電場(chǎng)會(huì)有一些波動(dòng)。由圖2 可明顯看出鐵塔對(duì)空間電場(chǎng)分布影響顯著（在鐵塔附近由于鐵塔的屏蔽作用，電場(chǎng)值會(huì)出現(xiàn)大幅下降）。本文主要對(duì)無人機(jī)沿線飛行區(qū)域的避障進(jìn)行研究，故忽略鐵塔附近50 m 范圍內(nèi)的電場(chǎng)，進(jìn)行平滑處理后可以得出在該位置處平均電場(chǎng)強(qiáng)度E1=16.3 kV/m。

圖2 500 kV 線路在Y=20 m，H=50.9 m 處電場(chǎng)值

1.1.2 輸電線路二維電場(chǎng)計(jì)算

取輸電導(dǎo)線三維模型的X，Y 坐標(biāo)建立二維模型，施加與3D 相同的電壓激勵(lì)，由此可以計(jì)算Y=20 m、H=60 m 處的電場(chǎng)值E2=16.5 kV/m。

對(duì)比輸電導(dǎo)線三維和二維模型下的電場(chǎng)數(shù)值知，兩者相對(duì)誤差在3%以下，完全符合工程要求。因此，針對(duì)輸電線路周邊電場(chǎng)，可以假設(shè)輸電導(dǎo)線沿Z 方向無限長(zhǎng)，建立二維模型進(jìn)行仿真。

1.2 輸電線路電場(chǎng)分析

根據(jù)二維電磁場(chǎng)模型可以得到如圖3 所示輸電線路電場(chǎng)分布。

圖3 500 kV 高壓輸電線路電場(chǎng)

由圖3 可知：輸電線路周邊的電場(chǎng)值在導(dǎo)線周圍最高，并隨著距離的增加逐漸降低，在較近的距離范圍內(nèi)等電場(chǎng)線是圍繞輸電導(dǎo)線的封閉曲線；在距離導(dǎo)線水平距離10 m 處的電場(chǎng)值在20 kV/m 左右；加大水平距離至20 m 后，電場(chǎng)值迅速下降至9 kV/m。因此理論上可以將輸電線周圍的電場(chǎng)有效值作為變量用以控制無人機(jī)的安全飛行距離。

1.3 輸電線路安全距離確定

無人巡視規(guī)范要求小型旋翼無人機(jī)與輸電線的距離大于10 m，因此計(jì)算中可以先確定一個(gè)距離所有輸電導(dǎo)線10 m 的包絡(luò)線，并取包絡(luò)線上最小電場(chǎng)有效值E0作為保護(hù)閾值，以此閾值作為電場(chǎng)限值，形成無人機(jī)飛行控制區(qū)域。

若要精確判定無人機(jī)與輸電線路的距離，則需要引入高度變量。圖4 所示為同一高度H 下電場(chǎng)隨水平距離的分布。電場(chǎng)強(qiáng)度最大值在輸電導(dǎo)線附近，隨著距離增加電場(chǎng)強(qiáng)度單調(diào)下降。因此，可以采用高度與電場(chǎng)強(qiáng)度相結(jié)合的方法，即分別測(cè)量高度與電場(chǎng)值，采用插值算法實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)安全飛行距離的精確控制。在500 kV 特高壓線路中，每相輸電導(dǎo)線的高度相差較大，在相同水平位置，不同高度下電場(chǎng)值變化較大，故引入高度變量就顯得尤為重要。

圖4 高度H=50 m 電場(chǎng)隨水平距離分布

在無人機(jī)飛行過程中，對(duì)計(jì)算的實(shí)時(shí)性要求比較高，而高度與電場(chǎng)值的測(cè)距方法存在一定的延時(shí)。那么在精度要求低的工況下，可以直接設(shè)置安全電場(chǎng)閾值E0。在500 kV 特高壓線路中，E0=2 000 V/m 時(shí)的無人機(jī)安全控制區(qū)域如圖5 所示。圖5 中安全控制區(qū)域離輸電線水平距離最遠(yuǎn)為18 m、最近距離為10 m，即可較好地保證無人機(jī)的安全。

2 電場(chǎng)檢測(cè)硬件設(shè)備與路徑規(guī)劃

無人機(jī)距離控制系統(tǒng)包括電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)、信息處理和避障的路徑規(guī)劃3 個(gè)部分。其中電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)是無人機(jī)感知和探測(cè)外部環(huán)境信息的主要途徑，也是決定避障系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)避障的基礎(chǔ)[19]。

圖5 500 kV 線路中閾值2 000 V/m 等值電場(chǎng)

2.1 電場(chǎng)檢測(cè)硬件設(shè)備

電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)由電場(chǎng)傳感器組成，電場(chǎng)傳感器的選擇為后期數(shù)據(jù)處理提供了穩(wěn)定可靠的硬件基礎(chǔ)，直接關(guān)系到無人機(jī)能否正確、快速地感知到電場(chǎng)信息。該系統(tǒng)主要采用UAV-LF-04 型號(hào)的電磁場(chǎng)傳感器，具體參數(shù)如表1 所示。實(shí)物如圖6 所示。

表1 電磁場(chǎng)傳感器參數(shù)表

圖6 UAV-LF-04 電場(chǎng)傳感器

2.2 避障與路徑規(guī)劃

避障與路徑規(guī)劃主要包含兩方面內(nèi)容：一是判斷無人機(jī)當(dāng)前的飛行位置是否處于危險(xiǎn)區(qū)域；二是處于危險(xiǎn)區(qū)域的無人機(jī)如何規(guī)劃路徑來躲避障礙。具體飛行流程：首先，判斷自身當(dāng)前航點(diǎn)是否安全，若傳感器電場(chǎng)值低于初始設(shè)定的閾值，則設(shè)置飛行模式為正常飛行模式，并且給出后續(xù)飛行的期望航點(diǎn)；若傳感器檢測(cè)電場(chǎng)值高于閾值，則判斷當(dāng)前航點(diǎn)為危險(xiǎn)航點(diǎn)，將飛行模式更改為避障模式。其次處于避障模式下無人機(jī)將先抬升1 m，并再次判斷電場(chǎng)值，若大于閾值則自動(dòng)返回上一航點(diǎn)并沿原路返航至起始點(diǎn)；若小于閾值，則繼續(xù)飛行到下一航點(diǎn)。避障策略的邏輯控制流程如圖7 所示。

圖7 避障邏輯控制流程

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與路徑規(guī)劃

3.1 電場(chǎng)值反演距離測(cè)試

基于無人機(jī)搭載的電場(chǎng)傳感器和自帶的高度測(cè)量?jī)x可以獲取無人機(jī)所在位置電場(chǎng)值和高度，而固定高度下電場(chǎng)值在輸電線路外側(cè)是單調(diào)遞減的，因此可以據(jù)此判斷無人機(jī)與輸電線路的距離。表2 所示為不同位置處無人機(jī)的水平距離測(cè)量誤差。

表2 電場(chǎng)反演無人機(jī)位置

結(jié)合測(cè)試結(jié)果和文獻(xiàn)資料，可以確定無人機(jī)高度測(cè)量?jī)x和RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）定位系統(tǒng)的精度在厘米級(jí)別[20-23]。表2 給出了3 種具有代表性的測(cè)試點(diǎn)。第1 個(gè)點(diǎn)處于輸電線路中心外側(cè)21.46 m處，距離導(dǎo)線10 m 左右，剛好為無人機(jī)安全距離的臨界點(diǎn)，該位置的電場(chǎng)值較大，且對(duì)微小距離的變化比較敏感，故距離的相對(duì)誤差也是最小的。第2 個(gè)點(diǎn)相對(duì)于第1 個(gè)點(diǎn)高度上升了30 多m，其電場(chǎng)值也快速下降，由此反演出來的位置信息也相對(duì)來說偏離會(huì)大一些。第3 個(gè)點(diǎn)的高度是82.38 m，遠(yuǎn)超輸電線路60 m 的高度，該高度下整體電場(chǎng)值都比較小且變化相對(duì)緩慢，所以測(cè)量誤差會(huì)比較大。但本文的研究區(qū)域是輸電線路附近，而該點(diǎn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了安全距離范圍，故其誤差不影響避障能力。

3.2 利用安全閾值進(jìn)行功能測(cè)試

測(cè)試前設(shè)定無人機(jī)的電場(chǎng)安全閾值E0=1 800 V/m，驗(yàn)證其避障返航功能，飛行軌跡如圖8 所示，其中航點(diǎn)2—4 為鐵塔底座所在位置。由圖8可知，無人機(jī)最初按照預(yù)定的路線開展巡檢，但是在飛行到航點(diǎn)2 附近檢測(cè)到電場(chǎng)超出閾值，此時(shí)無人機(jī)距離輸電導(dǎo)線中心水平距離為9.6 m，且后續(xù)電場(chǎng)值持續(xù)超過閾值，故觸發(fā)返航功能，沿返航路徑返回出發(fā)點(diǎn)。

圖8 避障返航路徑測(cè)試

4 結(jié)論

（1）在對(duì)500 kV 線路電場(chǎng)仿真分析后，本文提出了兩種不同的安全距離判別方法：一是設(shè)定無人機(jī)2 000 V/m 的電場(chǎng)安全閾值，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行粗略控制；二是將高度與電場(chǎng)值相結(jié)合，利用插值算法反演出無人機(jī)的精確位置。

（2）介紹了無人機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)備，并基于輸電線路的電場(chǎng)分布規(guī)律提出無人機(jī)的避障流程和路徑規(guī)劃。

（3）基于電場(chǎng)反演理論，開展了無人機(jī)安全距離現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。一是引入高度變量，開展無人機(jī)精確位置的反演；二是利用電場(chǎng)保護(hù)閾值，測(cè)試無人機(jī)避障返航功能。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了基于輸電線路電磁場(chǎng)分布的避障方法的有效性。該方法可為輸電線路無人機(jī)巡檢距離控制、航向規(guī)劃和安全避障提供技術(shù)支撐。