鄭天茹，孫立民，婁婷婷，張明江，郭 翔

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

無人機巡檢帶電導(dǎo)線的電場測量避障方法

鄭天茹1，孫立民2，婁婷婷1，張明江1，郭 翔3

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

我國國土遼闊，電網(wǎng)規(guī)模大，利用無人機等自動化和現(xiàn)代化設(shè)備進行巡線維護已日益顯示出其迫切性。為保障無人機巡線系統(tǒng)及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，實現(xiàn)無人機對輸電導(dǎo)線的避障成為一個亟待解決的重要課題。根據(jù)帶電導(dǎo)線周圍電場環(huán)境的特殊性，利用導(dǎo)線間距與電場強度之間的對應(yīng)關(guān)系，研究了一種無人機巡檢帶電導(dǎo)線的電場測量避障方法。通過電場測量避障裝置的數(shù)據(jù)計算處理，及與無人機飛控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互和判斷，確定是否需要進行避障動作，并以實例分析說明該方法適用于電力巡線無人機在對輸電線路巡查時對帶電導(dǎo)線的規(guī)避。

無人機；輸電線路；電場測量；避障

0 引言

目前，國內(nèi)外對高壓輸電導(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)境對于有人機、無人機影響的研究還不多，僅有對利用導(dǎo)線間距與電磁場強度之間的對應(yīng)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)計算處理確定無人機巡檢帶電導(dǎo)線時是否需要避障動作的研究［1］；以及通過檢測飛機所處位置的磁場強度的變化與仿真結(jié)果對比，進而進行對位置檢測和判斷［2］。在輸電線路實際運行時，電壓大小基本保持在指定的電壓等級水平，但電流的大小是隨著負載的變化而實時變化的，因而磁場強度的數(shù)值也隨之實時變化，檢測結(jié)果準確性不高。

研究一種用于無人機巡檢帶電導(dǎo)線的電場測量避障裝置，并說明其避障原理及方法，主要實現(xiàn)無人機對輸電導(dǎo)線的避障，避免無人機巡檢帶電導(dǎo)線時，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，甚至無人機與輸電線路碰撞情況的發(fā)生，保障了無人機巡線系統(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

無人機巡檢系統(tǒng)主要包括飛行平臺和控制系統(tǒng)、機載檢測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、飛行保障系統(tǒng) 5 個部分，如圖 1 所示［3-5］。

圖1 無人機巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中：飛行平臺和控制系統(tǒng)用于執(zhí)行飛行任務(wù)；機載檢測設(shè)備裝載于飛行平臺上，用于檢測輸電線路；通信系統(tǒng)是飛行平臺和機載檢測系統(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)的人機交互系統(tǒng)；保障系統(tǒng)用于保障整套無人機巡線系統(tǒng)飛行、巡檢、維護等。

2 電場測量避障系統(tǒng)

圖2 電場測量避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電場測量避障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，電場測量傳感器將所測電場強度數(shù)值輸入信號處理單元，提取工頻范圍內(nèi)的電場強度數(shù)值后，通過A/D轉(zhuǎn)化單元輸入DSP數(shù)據(jù)處理模塊，一段時間間隔后，電場測量傳感器再次將所測電場強度數(shù)值輸入信號處理單元，提取工頻范圍內(nèi)的電場強度數(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)合兩次測量結(jié)果及無人機飛行狀態(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)機載控制計算機，進而將避障指令發(fā)送給舵機控制器，由其控制伺服舵機來改變無人機平臺的飛行狀態(tài)。同時，飛控系統(tǒng)機載控制計算機會將數(shù)字羅盤、三軸陀螺儀、速度及加速度計、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計、轉(zhuǎn)速測量傳感器和PCM遙控接收機的狀態(tài)信息，以及避障判斷的信息一同通過數(shù)傳電臺進行與地面站之間的交互。

3 電場測量避障方法

電場測量避障方法分為4個步驟進行。

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

2）設(shè)置DSP數(shù)據(jù)處理模塊中，計算電場變化率時所采用兩數(shù)據(jù)的時間間隔Δt。

3）電場測量傳感器將所測電場強度數(shù)值輸入信號處理單元，提取工頻范圍內(nèi)的電場強度數(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時刻工頻電場測量模塊測得數(shù)值為m，t+Δt時刻工頻電場測量模塊測得數(shù)值為n，并在t+Δt時刻取無人機飛行控制系統(tǒng)提供的無人機實時飛行速率記為v，數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)化模塊進行判斷：v=0時，輸出“安全”指令；v≠0 且 |m-n|/（v·Δt）

4）避障指令由DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸出給機載飛控系統(tǒng)，進而由無人機舵機控制器控制伺服舵機進行下一步動作，指令為“安全”時，繼續(xù)當前飛行任務(wù)；指令為“避障”時，先將無人機懸停，通過實時傳回的視頻判斷發(fā)出“原路返航”或“臨時調(diào)整路線”的指令。

對于電場強度變化率的限值C，通過對輸電導(dǎo)線建立電場計算模型［6-7］，進而進行仿真計算得到該值。

3.1 模型建立與仿真計算

結(jié)合實際輸電線路所用典型塔型，對輸電導(dǎo)線做仿真建模，仿真計算利用Ansoft Maxwell電磁場計算軟件，最終得到電場強度變化率的限值C。

3.1.1 220kV輸電導(dǎo)線仿真計算

對220kV輸電導(dǎo)線進行仿真建模，得無人機巡檢220kV輸電導(dǎo)線時，與輸電導(dǎo)線間距和電場強度變化率的對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 220kV輸電導(dǎo)線間距和電場強度變化率的對應(yīng)關(guān)系

取C為距導(dǎo)線20m時電場強度變化率數(shù)值，即C220=29。

3.1.2 500kV輸電導(dǎo)線仿真計算

對500kV輸電導(dǎo)線進行仿真建模，得到無人機巡檢500kV輸電導(dǎo)線時，與輸電導(dǎo)線間距和電場強度變化率的對應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 500kV輸電導(dǎo)線間距和電場強度變化率的對應(yīng)關(guān)系

取C為距導(dǎo)線24m時電場強度變化率數(shù)值，即C500=56。

3.1.3 750kV輸電導(dǎo)線仿真計算

對750kV輸電導(dǎo)線進行仿真建模，得到無人機巡檢750kV輸電導(dǎo)線時，與輸電導(dǎo)線間距和電場強度變化率的對應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。

取C為距導(dǎo)線27m時電場強度變化率數(shù)值，即C750=77。

3.1.4 1000kV輸電導(dǎo)線仿真計算

對1 000kV輸電導(dǎo)線進行仿真建模，得到無人機巡檢1 000kV輸電導(dǎo)線時，與輸電導(dǎo)線間距和電場強度變化率的對應(yīng)關(guān)系，如圖6所示。

圖5 750kV輸電導(dǎo)線間距和電場強度變化率的對應(yīng)關(guān)系

圖6 1 000kV輸電導(dǎo)線間距和電場強度變化率的對應(yīng)關(guān)系

取C為距導(dǎo)線32m時電場強度變化率數(shù)值，即C1000=81。

3.2 現(xiàn)場測量與仿真結(jié)果對比

3.2.1 220kV線路現(xiàn)場測量與仿真結(jié)果對比

將電場測量避障系統(tǒng)搭載于無人機上對實際220kV線路進行檢測，為驗證仿真數(shù)據(jù)的實用性，設(shè)定無人機飛行路線為垂直于輸電線路走向，與邊項導(dǎo)線等高，由距離邊項導(dǎo)線70m靠近至16m（選擇該距離范圍是為了保障無人機的安全，且能夠驗證中途是否在預(yù)想位置收到電場測量避障系統(tǒng)的報警信號）。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，進行飛行測試。

飛行中途無人機收到電場測量避障系統(tǒng)的報警信號，進行懸停后選擇原路返回，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，與仿真計算結(jié)果對比如圖7所示。

圖7 220kV線路仿真、實測電場變化率對比圖

在距離輸電導(dǎo)線較遠處，實測數(shù)據(jù)可能測試到周圍其他電場源的雜波信號，略有波動。由圖7可知，仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)基本一致。且電場測量避障系統(tǒng)也能夠按照預(yù)設(shè)距離產(chǎn)生報警信號，說明了電場測量避障系統(tǒng)及仿真數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。

3.2.2 500kV線路現(xiàn)場測量與仿真結(jié)果對比

將電場測量避障系統(tǒng)搭載于無人機上對實際500kV線路進行檢測，為驗證仿真數(shù)據(jù)的實用性，設(shè)定無人機飛行路線為垂直于輸電線路走向，與邊項導(dǎo)線等高，由距離邊項導(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，進行飛行測試。飛行測試與仿真計算結(jié)果對比如圖8所示。

圖8 500kV線路仿真、實測電場變化率對比圖

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

4 結(jié)語

設(shè)計一套用于無人機巡檢帶電導(dǎo)線的電場測量避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)是根據(jù)帶電導(dǎo)線周圍電場環(huán)境的特殊性設(shè)計，且所用元器件體積小、簡單輕便，既能夠克服超聲波測距、紅外測距和激光測距設(shè)備檢測正確率低的問題，又能夠避免微波雷達測距設(shè)備體積、重量過大，不便于無人機搭載的弊端。利用該系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機巡檢帶電導(dǎo)線時，對實時視頻中很難識別的導(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巡線系統(tǒng)的安全。

無人機巡檢帶電導(dǎo)線的電場測量避障方法中，用于判斷無人機是否需要對輸電導(dǎo)線避障的測量參數(shù)為無人機所處位置電場強度的變化率，首先利用針對某條輸電線路較穩(wěn)定的電場強度數(shù)值，其次采用計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強度的干擾，使計算數(shù)值準確可靠，且以220kV、500kV電壓等級的輸電導(dǎo)線為例，提供了用于對比判斷的仿真計算結(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.淺議直升機作業(yè)在我國特高壓電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］．高電壓技術(shù)，2006，32（6）：45-46，55.

［2］ 鄭天茹，王濱海，劉俍，等.電力巡線無人直升機障礙規(guī)避系統(tǒng)［J］.山東電力技術(shù)，2012（1）：14-17.

［3］ WANG B，HANL，ZHANG H，et al.A Flying Robotic System for Power Line Corridor Inspection ［C］//IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.IEEE，2009：2 468-2 473.

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［5］ WANG B，CHEN X，WANG Q，et al.Power line inspection with a flying robot［C］//International Conference on Applied Robotics for the Power Industry.IEEE，2010：1-6.

［6］ 張宇，鄭偉，文武，等.架空線路分裂導(dǎo)線表面電位梯度的數(shù)值計算［J］.高電壓技術(shù)，2005，31（1）：23-24，37.

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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，從事無人機電力巡檢研究相關(guān)工作。