CN205750554U - 一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位装置 - Google Patents

Abstract

一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位装置，通过测量无人机所处位置的磁场矢量和电场矢量，依据电磁场矢量与距离的数学关系，确定无人机与输电线路之间的空间位置。通过无线传输设备将所获取的无人机与输电线路之间的空间位置数据，传递至终端控制系统。采用三分量法测量磁场矢量，采用三轴正交法测量电场矢量。本实用新型可有效提高对巡线无人机定位的准确性，避免了肉眼观察带来的不确定性，达到安全高效的效果，同时提高了巡线的智能化程度。

Description

一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位装置

技术领域

本实用新型属于输电线路巡线无人机领域，特别涉及一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位装置，主要用于架空输电线路巡线无人机定位。

背景技术

架空电力线路的覆盖区域广、穿越区域地形复杂并且自然环境恶劣。电力线、杆塔长期在野外暴露，不断受到机械张力、材料老化、雷击、污秽等外界因素的侵害，容易导致导地线断股、金具腐蚀、绝缘子破损、杆塔倾斜等故障的发生，如不及时发现并进行修复、更换，最终会导致严重事故，严重威胁电力系统的安全和稳定。为了掌握线路的运行状况和及时排除线路的潜在隐患，需要定期巡检输电线路，随时掌握线路保护区的环境变化情况，迅速发现并消除隐患，防止重大事故发生，确保供电的安全与可靠。

无人机技术的发展为架空电力线路的巡线提供了新的移动平台。利用无人机搭载巡检设备进行巡线，有着传统巡线方式无法比拟的优势：1)无人驾驶，不会造成人员伤亡，安全性高；2)不受地理条件的限制，即使遇到地震，洪涝等自然灾害，依然能够对受灾区域的电力线路进行巡检；3)巡线速度快，每小时可达几十公里。无人机对输电线路巡检更加安全，成本低，效率高，且可以及时地发现输电线路存在的缺陷，解决人工巡检存在巡检“盲区”的问题。无人机可以携带多种传感器对输电线路进行巡视，可以通过分析无人机对输电线路拍摄的影音资料(红外、紫外、可见光)，得到输电线路存在的缺陷，尽早的发现并消除可能出现的隐患。然而，目前巡线无人机在远离操作人员时，其在人眼中仅为一个黑点，此时很难判断无人机与输电线路的相对位置，影响工作人员对巡线无人机飞行路径的控制。但现在大多数无人机电力巡线项目多处于科研阶段，无人机巡检仍存在一些问题。巡线无人机执行任务时，因位于输电线路导线附近，使其处于较强的电场和磁场的环境中，会使得无人机作业受到比较严重电磁干扰，其性能遭受影响，可能使得巡检作业无法正常进行，严重的甚至无人机坠毁，造成较大经济损失；另一方面，不同的巡检任务具有不同的巡检要求，例如在定期巡检或特殊巡检时要求对目标点的图像采集尽可能多，在对灾情检查或者故障巡视时需要无人机可以快速地对目标点监测。而且最大巡检距离和时间有限。上述问题均与无人机作业时的路径选择和空间位置选取相关，因此，对无 人机在输电线路巡检中的路径规划和空间位置定位的研究,以及对提高无人机巡检效率、安全和降低成本非常重要。虽然无人机巡线会受到航空申请、机体载重和天气恶劣等条件的限制，但随着无人机技术的高速发展，这些问题都能够得到解决。将无人机这项技术应用于电力线路巡检，包括融合电子、通信、图像识别等多个技术领域，形成一整套的无人机巡线系统，可以大大减轻电力巡线的人力投入，同时又能快速、安全地对线路实施巡检，是一个很有前途的研究方向，并且具有重要的实用价值。

现有人工巡检的方式中，存在许多“盲区”，耗费很多人力物力，不能满足智能电网发展经济性和安全性的需求；采用人工的方式对架空输电线路进行巡检，在野外复杂的环境下，工作人员人身安全易受到自然界中其他因素的威胁，而现有的无人机巡线时，由于其定位不准确，不能达到对巡线的技术要求；因为在合适的距离下，巡线无人机才能达到最佳的巡线结果，从而支持我们对线路运行情况的正确判断。目前无人机巡线时，因为肉眼不能准确判断出无人机与架空线的距离，达不到最佳效果，对架空线和无人机都将产生巨大威胁。

现有技术的缺点：现有技术只是单方面检测电场或者磁场，在三维成像时存在误差。当架空线电流电压变化时，单方面的场的测量数据，不具有测量判断的可依靠性。利用GPS RTK技术虽然可以获得厘米级精度的导航信息，但其在输电线路架空铁塔上安装多个基准子系统，不仅使线路运行造价提高，还给运维检修人员上塔作业带来了很多困扰，不符合线路建设原则。

目前无人机定位系统，有利用机器视觉模拟人的视觉功能，运用视觉算法实现定位；GPS定位，例如专利《一种基于GPS RTK技术的电力巡线无人机导航系统》(专利申请号201410100706.5)提出的导航系统，它包括一个或多个无人机移动站，基准站子系统以及地面站监控子系统，其中多个基准站子系统分别布置在电力线路塔架上，利用基准子系统将GPS差分数据传给移动站；电场差分避障方法(专利申请号201210222437.0)等。国内对小型无人机精确定位并不多，大部分还处在初级阶段。目前，国内外对高压输电导线电磁环境的研究和分析已取得了一定的成果，但主要的研究方向是高压输电导线电磁环境对人体和带电作业人员的影响，以及对一些电子仪器的干扰。利用架空线的电磁环境实现无人机定位仅在少有的文献和专利提及，譬如专利申请号为201210222437.0的专利《一种用于无人机巡检带电导线的电场差分避障系统及方法》提及了利用的电场差分测量来规避导线，所采用的是两路完全相同的电场测量装置，通过一定的方式测得两处电场强度，并计算差值与现有数据比较，从而得出无人机与导线之间的距离。该专利还提及了一种对不同 电压等级的导线周围的电场变化做仿真计算距离导线越近，其计算分析结果越精确。测得的数据同现有的仿真数据比较，可进行位置检测和判断。

发明内容

为了满足在利用无人机巡检时对其定位的需求，寻找一种利用无人机所处位置的磁场矢量和电场矢量方法，本实用新型提供一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位装置，依据电磁场矢量与距离的数学关系确定巡线无人机与输电线路之间的空间位置，解决目前无人机巡检时难以用肉眼定位其与架空线的距离而引起的问题。可有效提高对巡线无人机定位的准确性，避免了肉眼观察带来的不确定性，达到安全高效的效果，同时提高了巡线的智能化程度。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位装置，包括磁场矢量测量装置、电场矢量测量装置、无线传输设备、报警装置、终端控制系统。

磁场矢量测量装置、电场矢量测量装置安装在无人机的支架上；无线传输设备的发射装置安装在无人机的机身内；无线传输设备的发射装置和接收装置通过无线网络连接。

无线传输设备的接收装置、报警装置、终端控制系统安装在地面控制室内。

磁场矢量测量装置由三个两两垂直放置的磁场探测线圈组成。

电场矢量测量装置由三个相互垂直的绝缘环氧棒组成。

本实用新型一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位装置，优点在于：

1：本实用新型实现了架空输电线路巡线无人机利用电磁矢量定位，可通过对其周围电磁场的检测，满足无人机操作员对巡线无人机位置的确定，使其能安全高效的工作；

2：本实用新型中使用的定位系统是利用电场矢量和磁场矢量，可有效避肉眼观察所带来的不确定性，提高定位的准确性。为巡线无人机正常工作提供一种保障；

3：本实用新型提出的通过测量电场、磁场矢量的方法来确定巡线无人机与架空线之间的距离，成功解决了人眼直接观察带来的不便，采用电子测量器件提高了自动化程度，是技术进步的表现。可为无人机提供在不同飞行环境下定位，为架空线路的巡线带来了新的的技术手段，解决了当前无人机运用到实际工程中所遇到的问题。

4：本实用新型采用的两种矢量定位，在无人机与导线不平行飞行时依然可以准确定位，可实现在无人机变换方向等特殊情况时，依然能够安全稳定的作业。

附图说明

图1为本实用新型输电线路巡线无人机的电磁场定位装置示意图。

图2为本实用新型的磁场测量装置结构示意图。

图3为本实用新型的电场测量装置结构示意图。

图4为本实用新型的输电线路巡线无人机的电磁场定位装置运行示意图。

1-无人机；1.1-无人机机身；1.2--支架；2-磁场矢量测量装置；2.1-磁场探测线圈；3-电场矢量测量装置；3.1-绝缘环氧棒；4-无线传输设备；4.1-发射装置；4.2-接收装置4.2；4.3-无线网络；5-报警装置；6-终端控制系统；7-输电线路；8-磁场矢量；9-电场矢量。

具体实施方式

一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位方法，通过测量无人机1所处位置的磁场矢量8和电场矢量9，依据电磁场矢量与距离的数学关系，确定无人机1与输电线路7之间的空间位置。

电磁场矢量与距离的数学关系由以下的麦克斯韦方程组确定，

其中H，J，E，B，D分别为磁场强度，电流密度，电场强度，磁感应强度，电位移矢量；x，y，z和x₀，y₀，z₀是分别是直角坐标系下场和源的三个坐标位置。通过测量直接得到磁场矢量B(x，y，z)和电场矢量E(x，y，z)，然后根据本构方程：

D(x,y,z)＝εE(x,y,z)

B(x,y,z＝μH(x,y,z)

得到磁场强度H(x，y，z)和电位移矢量D(x，y，z)，这里ε，μ分别为空气介电常数和磁导率。以上方程即可求得场和源的相对位置，亦即确定了无人机1与输电线路7之间的空间位置。

通过无线传输设备4将所获取的无人机1与输电线路7之间的空间位置数据，传递至终端控制系统6。

电磁场矢量与距离的数学关系由以下的麦克斯韦方程组确定，

其中H，J，E，B，D分别为磁场强度，电流密度，电场强度，磁感应强度，电位移矢量；x，y，z和x₀，y₀，z₀是分别是直角坐标系下场和源的三个坐标位置。通过测量直接得到磁场矢量B(x，y，z)和电场矢量E(x，y，z)，然后根据本构方程：

D(x,y,z)＝εE(x,y,z)

B(x,y,z＝μH(x,y,z)

得到磁场强度H(x，y，z)和电位移矢量D(x，y，z)，这里ε，μ分别为空气介电常数和磁导率。以上方程即可求得场和源的相对位置，亦即确定了无人机1与输电线路7之间的空间位置。

终端控制系统6由具有数据处理能力的计算机和方向控制器组成。由无线传输设备4的接收装置4.2接收到的磁场矢量8和电场矢量9传递给终端控制系统6的计算机分析得到无人机1与输电线路7之间的空间位置，然后根据测量数据控制方向控制器调整方向。

采用三分量法测量磁场矢量8，采用三轴正交法测量电场矢量9。

当无人机1与输电线路7之间的距离小于0.5m或大于2m时，将发出报警信号，并提醒操作人员调整飞行路径。距离低于0.5m时容易发生无人机1与输电线路7的放电，而距离大于2m时很难发现线路故障。

当无人机1与输电线路7的距离小于0.5m时，提示操作人员向着距离增大的方向调整；当无人机1与输电线路7的距离大于2m时，提示操作人员向着距离减小的方向调整。

距离低于0.5m时容易发生无人机1与输电线路7的放电，而距离大于2m时很难发现线路故障。

一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位装置，包括磁场矢量测量装置2、电场矢量测量装置3、无线传输设备4、报警装置5、终端控制系统6。

磁场矢量测量装置2、电场矢量测量装置3安装在无人机1的支架1.2上；无线传输设备4的发射装置4.1安装在无人机1的机身1.1内；磁场矢量测量装置2、电场矢量测量装置3与无线传输设备4通过无线网络4.3连接。

无线传输设备4采用2.4G传输器，频率选定宽度300-800MHz,将利用COFDM全数字调制解调技术生成的信号发送出去。

无线网络选择433MHz频段无线网络，该频段传输数据可达数公里。

无线传输设备4的接收装置4.2、报警装置5、终端控制系统6安装在地面控制室内。

报警装置5采用蜂鸣器，同时发出震动和声音，例如SFM-27型DC6-24V电子蜂鸣器，可根据不同距离发出不同声音。

磁场矢量测量装置2由三个两两垂直放置的磁场探测线圈2.1组成。需要测量磁场矢量8的三个分量，所以需要相互正交的三个探测线圈。

电场矢量测量装置3由三个相互垂直的绝缘环氧棒3.1组成。需要测量电场矢量8的三个分量，所以需要相互垂直的绝缘环氧棒。

实施例：

按照图2所示制作磁场矢量测量装置2，按照图3所示制作电场矢量测量装置3；分别将磁场矢量测量装置2和电场矢量测量装置3安装在无人机1的支架1.2处；将磁场矢量测量装置2和电场矢量测量装置3通过传输线连接至无线传输设备4的发射装置4.1，并将无线传输设备4的发射装置4.1安装在无人机1的机身1.1内；将无线传输设备4的接收装置4.2、报警装置5、终端控制系统6安装在地面控制室。

启动无人机1飞行至输电线路7附近，测量此时无人机1所处位置的磁场矢量8和电场矢量9，并以此计算出其与输电线路7之间的距离在0.5m至2m之间；继续控制无人机1沿输电线路7飞行，当无人机1运行至A点时，检测到无人机1与输电线路7之间的距离大于2m，报警装置5发出距离过大警告，提示操作人员向着距离减小的方向调整；继续控制无人机1沿输电线路7飞行，当无人机1运行至B点时，检测到无人机1与输电线路7之间的距离小于0.5m，报警装置5发出距离过小警告，提示操作人员向着距离增大的方向调整。

本实用新型可有效提高对巡线无人机定位的准确性，避免了肉眼观察带来的不确定性，达到安全高效的效果，同时提高了巡线的智能化程度。

Claims (4)

1.一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位装置，包括磁场矢量测量装置(2)、电场矢量测量装置(3)、无线传输设备(4)、报警装置(5)、终端控制系统(6)；其特征在于：磁场矢量测量装置(2)、电场矢量测量装置(3)安装在无人机(1)的支架(1.2)上；无线传输设备(4)的发射装置(4.1)安装在无人机(1)的机身(1.1)内；无线传输设备(4)的发射装置(4.1)和接收装置(4.2)通过无线网络(4.3)连接。

2.根据权利要求1所述一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位装置，其特征在于：无线传输设备(4)的接收装置(4.2)、报警装置(5)、终端控制系统(6)安装在地面控制室内。

3.根据权利要求1所述一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位装置，其特征在于：磁场矢量测量装置(2)由三个两两垂直放置的磁场探测线圈(2.1)组成。

4.根据权利要求1所述一种架空输电线路巡线无人机的电磁场定位装置，其特征在于：电场矢量测量装置(3)由三个相互垂直的绝缘环氧棒(3.1)组成。