以無人機(jī)為基礎(chǔ)的高壓輸電線路路徑改進(jìn)設(shè)計(jì)

李亮

摘要：文章重點(diǎn)圍繞以無人機(jī)為基礎(chǔ)的高壓輸電線路路徑改進(jìn)設(shè)計(jì)，首先對以無人機(jī)為基礎(chǔ)的高壓輸電線路路徑改進(jìn)設(shè)計(jì)的必要性進(jìn)行了討論分析，隨后探討了500kV輸電線路電場仿真過程，并對以無人機(jī)為基礎(chǔ)的高壓輸電線路避障與路徑改進(jìn)規(guī)劃進(jìn)行了討論，最后分析了高壓輸電線路路徑改進(jìn)規(guī)劃現(xiàn)場測試過程，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);高壓輸電線路;路徑改進(jìn)設(shè)計(jì)

前言：

隨著科學(xué)信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，在高壓輸電線路巡檢方面，采用無人機(jī)巡檢已經(jīng) 成為一種常態(tài)。尤其是針對一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的高壓線路，地理環(huán)境相對復(fù)雜，交通不便，因此只有通過無人機(jī)進(jìn)行輸電線路巡檢，才能有效降低成本，提高巡檢效率。但在實(shí)際巡檢過程中，為避免無人機(jī)遭遇障礙，引發(fā)“撞擊問題”，有必要以無人機(jī)基礎(chǔ)，加強(qiáng)對其高壓輸電線路路徑改進(jìn)設(shè)計(jì)分析，這對于保障無人機(jī)安全飛行，提高高壓輸電線路巡檢效率有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、以無人機(jī)為基礎(chǔ)的高壓輸電線路路徑改進(jìn)設(shè)計(jì)的必要性分析

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化水平的不斷提升，人們對電力需要量也在不斷增加，為保障電力的全面輸送供應(yīng)，各種高壓輸電線路架設(shè)數(shù)量也在不斷提升。然而由于相應(yīng)線路巡檢人員數(shù)量有限，再加上很多高壓輸電線路多假設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)、甚至交通條件極差的無人區(qū)，因此僅僅依靠傳統(tǒng)人工線路巡檢方式，已經(jīng)難以滿足實(shí)際要求。而無人機(jī)的出現(xiàn)，則有效解決了高壓輸電線路巡檢難題，由于無人機(jī)能夠無視地形，通過搭載攝像機(jī)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程巡檢，且攝影精度較高，可靈活穿行于復(fù)雜的輸電線路之間，節(jié)省了大量的人力成本，因此得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但同時(shí)我們也應(yīng)認(rèn)識到，為保證無人機(jī)攝影精度，維護(hù)飛行安全，做好無人機(jī)在高壓輸電線路中飛行路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)，控制好無人機(jī)與輸電線路之間的距離非常重要。為達(dá)到上述目的，文章通過結(jié)合某500kv輸電線路，實(shí)施建模分析，對線路電場分布與大小進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)，提出了一種借助線路電場有效值與高度，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)安全飛行路徑的改進(jìn)設(shè)計(jì)，確保無人機(jī)與輸電線路保持安全距離。

二、500kV輸電線路電場仿真分析

針對本次高壓輸電線路電場仿真模擬，采用了某電廠500kV同塔雙回輸變電通道線路。其中對直線塔而言，采用了型號為 塔，該塔的呼高為33m。在導(dǎo)線排列上，屬于典型的正向序排列方式。而針對該高壓輸電線路的導(dǎo)線，則采用了鋼芯鋁絞線，型號具體為 ，線路的總截面積為675mm2，導(dǎo)線的外徑為33.7mm，導(dǎo)線的直流電阻為0.0458 。在分裂股數(shù)方面，則分成了4裂股。而針對地線，則采用了鋁包鋼絞線，導(dǎo)線的型號為 ，該導(dǎo)線的總截面積為122.32mm2，導(dǎo)線的外徑為14.231mm，導(dǎo)線的直流電阻為0.4216 。

在實(shí)際進(jìn)行輸電線路仿真時(shí)，采用了Maxwell 仿真軟件，建立了線路直線塔模型。在模型建立的過程中，選擇性忽略了線路上一些配置裝置，比如金具、絕緣子等，并對線路本身進(jìn)行了一定簡化，以鋁導(dǎo)線為主。為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，還在Maxwell軟件的幫助下，建立了線路3D模型。

在不同時(shí)時(shí)刻下，獲得的電場值均為瞬時(shí)值，因此在進(jìn)行電場計(jì)算時(shí)，針對電壓載荷的施加，可以A相初始角為0°為依據(jù)，并將求解器設(shè)置為靜態(tài)電場，經(jīng)過計(jì)算，得出H=50.8m，Y=20m處的電場值，具體如圖1所示[2]。其中H是指線路高度，Y是指水平距離線路中心處的距離，從中我們能夠了解到，鐵塔對空間電場分布有效較大的影響。而在本次研究中，重點(diǎn)在于無人機(jī)沿輸電線路附近的避障路徑改進(jìn)，因此以鐵塔為中心，忽略其周圍50m處的電場，經(jīng)過對圖1電場值進(jìn)行平滑處理，最終可得上述位置電場為 。

在計(jì)算輸電線路二維電場時(shí)，可從輸電線路三維模型入手，取X、Y坐標(biāo)，構(gòu)建三維模型，施加與模型自身相同的電壓激勵(lì)，選擇在Y=20m，H=60m位置處，計(jì)算得出電場值 。通過對比 與 ，兩者電場數(shù)值誤差小于3%，完全與工程要求相符合，因?qū)旊娋€路周圍的電場而言，可以做出以下假設(shè)：即沿著Z軸方向，輸電線路無限延長，并以此為有據(jù)，實(shí)施二維建模分析。

通過該二維電磁場模型，我們可以了解到在輸電線路周圍，越靠近導(dǎo)線，電場越高，反之，電場越低。比如在距離導(dǎo)線10m處，電場值為20 ，當(dāng)距離增加至20m時(shí)，電場值迅速下降，變成9 。因此可以將導(dǎo)線周圍的電場值作為變量，用于改進(jìn)無人機(jī)在高壓線路中飛行路徑改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與高壓輸電線路安全距離控制，經(jīng)過實(shí)際計(jì)算，在500kV高壓線路安全電場閾值 為2000 條件下，無人機(jī)距離輸電線路最遠(yuǎn)安全距離為18m，最近為10m。

三、以無人機(jī)為基礎(chǔ)的高壓輸電線路避障與路徑改進(jìn)規(guī)劃

（一）無人機(jī)距離控制系統(tǒng)介紹

對一個(gè)完整的無人機(jī)距離控制系統(tǒng)而言，應(yīng)包括以下三部分，一是輸電線路導(dǎo)線電場測試系統(tǒng)，二是信息處理，三是路徑改進(jìn)規(guī)劃。其中對輸電線路導(dǎo)線電場測試系統(tǒng)而言，主要用于無人機(jī)感知外部環(huán)境的信息，這為后續(xù)無人機(jī)飛行路徑改進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而該系統(tǒng)在硬件設(shè)備組成方面，相對較為簡單，主要由電場傳感器組成，合理選擇電場傳感器，能夠?yàn)楹罄m(xù)電場值計(jì)算以及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理提供良好的硬件支持，這決定了無人機(jī)能否準(zhǔn)確快速地感知高壓輸電線路周圍的電場，并做出飛行路徑的判斷與改進(jìn)，防止造成“撞擊事故”。在本次研究中，針對無人機(jī)距離控制系統(tǒng)，采用了型號為 電磁場傳感器，該傳感器的頻率范圍為4至400kHz;測量誤差在5%以內(nèi);傳感器的類型為三軸全向，磁場線圈，電場平板，同時(shí)還配置了電磁場一體化探頭;傳感器的量程為：0.1V/m至100kV/m（電場），磁場為1nT至20mT。

（二）飛行路徑避障以及路徑規(guī)劃改進(jìn)

在進(jìn)行飛行路徑避障以及路徑規(guī)劃改進(jìn)時(shí)，首先，需要判斷無人機(jī)當(dāng)下所處的飛行位置是否在安全區(qū)域，然后，如果發(fā)現(xiàn)無人機(jī)飛行位置號不在安全區(qū)域，又該如何對當(dāng)前的飛行路徑進(jìn)行改進(jìn)規(guī)劃，才能有效躲避高壓輸電線路周圍的障礙，保障無人機(jī)安全飛行，順利完成巡檢任。從無人機(jī)具體的分析流程來看：首先，需要無人機(jī)對自身航點(diǎn)安全性做出判斷，如果搭載的電場傳感器檢測的電場值比初始電場安全閾值要低，那么可將無人機(jī)設(shè)置為安全飛行模式，并結(jié)合實(shí)際，提供后續(xù)的飛行期望航點(diǎn);反之，則說明無人機(jī)當(dāng)下處于危險(xiǎn)飛行區(qū)域內(nèi)，隨時(shí)都有可能撞擊高壓輸電線路的障礙物，因此需要及時(shí)將無人機(jī)調(diào)整為避障模式，重新進(jìn)行后續(xù)非常路徑的改進(jìn)規(guī)劃。其次，在無人機(jī)飛行路徑改進(jìn)上，可以先嘗試向上飛行1m的高度，然后再重新檢測輸電線路周圍的電場，如果高于安全電場閾值，說明處于安全位置，可自動(dòng)返回上一航點(diǎn)，然后沿著原本的航行路徑，安全返回至起點(diǎn)。反之，則繼續(xù)飛行，到達(dá)下一航點(diǎn)。

四、高壓輸電線路路徑改進(jìn)規(guī)劃現(xiàn)場測試分析

（一）電場反演距離測試

在無人機(jī)之上，搭載電場測試傳感器與攝影測量儀，用于實(shí)時(shí)獲取無人機(jī)的分析高度以及所處位置的電場值。通過上文敘述可知，在高度不變的情況下，越靠近線路導(dǎo)線，電場值越高，反之則越低。因此可以此為依據(jù)，作為判斷無人機(jī)與輸電線路之間的距離大小。一旦距離低于10m，g高于18m，說明無人機(jī)處于危險(xiǎn)飛行區(qū)域。無人機(jī)在不同位置中，水平測量距離的誤差也各不相同，具體如表1所示。從相關(guān)測試結(jié)果來看，并參考相應(yīng)的資料，我們能夠了解到，對無人機(jī)RTK定位系統(tǒng)與高度測量儀來說，兩者的精度均能夠達(dá)到厘米級別。表1所示的測試點(diǎn)，均是比較典型的測試點(diǎn)，其中對1號測試點(diǎn)而言，處于500kV高壓輸電線路的中心外側(cè)的21.48m位置處，與導(dǎo)線相距10m左右，這一距離恰好是無人機(jī)安全距離臨界點(diǎn)[3]。在該位置處，導(dǎo)線周圍的電場通常會產(chǎn)生較大的變化，不僅如此，即使是微小的距離變化，也會導(dǎo)致電場出現(xiàn)相應(yīng)的波動(dòng)，對距離控制較為敏感，因此距離相對誤差也最小。而對2號測試點(diǎn)而言，相較于第一個(gè)點(diǎn)，高度明顯提升。因此相應(yīng)的電場值也迅速下降，由此進(jìn)行反演，推斷出的位置信息將會有著更大的偏離。而對3號測試點(diǎn)來說，高度最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了500kV輸電線路60m的高度。在這一高速數(shù)值下，電場的數(shù)值不僅更小，而且變化也相對緩慢，因此實(shí)際得到的測量誤差也就最大。但文章在本次研究過程中，重點(diǎn)在于輸電線路附近的區(qū)域范圍。由于3號點(diǎn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了文章研究范圍，因此其誤差實(shí)際上不會對無人機(jī)避障以及路線改進(jìn)規(guī)劃帶來影響。

（二）借助安全閾值進(jìn)行功能測試

在正式開展測試前，需要先進(jìn)行無人機(jī)電場安全閾值的設(shè)置，本身安全閾值設(shè)置為1800V/m，主要目的是驗(yàn)證無人機(jī)在避障后，安全返航的功能。本次無人機(jī)的飛行軌跡如圖2所示。從中我們能夠了解到，航點(diǎn)2至4，屬于鐵塔底座位置。而無人機(jī)在最初進(jìn)行飛行時(shí)，先飛到航點(diǎn)2位置，實(shí)施電場檢查，發(fā)現(xiàn)該位置的電場已經(jīng)超出了安全閾值。在這一背景條件下無人機(jī)與輸電線路水平距離為9.7m，并且在后續(xù)飛行時(shí)，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)所處航線路徑的電場值始終比較高，超出了電場安全閾值，因此會自動(dòng)觸發(fā)返航功能，改變原本的飛行路徑，原路安全返回出發(fā)航點(diǎn)位置。

總結(jié)：

綜上所述，在無人機(jī)巡檢過程中，為避免撞機(jī)事故的發(fā)生，需要對相應(yīng)飛行路徑進(jìn)行合理改進(jìn)設(shè)計(jì)。文章通過以500kV高壓輸電線路為研究對象，通過對其進(jìn)行仿真分析，提出了兩種無人機(jī)安全飛行的方法，一是將電場安全閾值設(shè)置為2000V/m，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行路徑的粗略控制，二是通過將輸電線路的電場值與飛行高度相結(jié)合，在插值算法的幫助下，實(shí)施反演，從而確定無人機(jī)準(zhǔn)確位置，避免無人機(jī)發(fā)生沖撞現(xiàn)象，能夠?yàn)闊o人機(jī)在高壓輸電線路的航行路徑規(guī)劃改進(jìn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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