基於電場測距和半主動雷射引導的無人機電力巡線系統的製作方法

2023-05-30 11:55:26

本發明涉及無人機技術領域，尤其涉及基於電場測距和半主動雷射引導的無人機電力巡線系統。

背景技術：

在電力巡線作業中，無人機巡檢以其無需作業人員親臨塔底、效率高、無巡檢「盲區」等優勢得到了廣泛應用。無人機進行電力巡線作業是通過無人機沿著高壓電力線路飛行，靠近高壓鐵塔時，對高壓鐵塔上的絕緣子、金具等附件進行拍照或攝像，以供地面電力維護人員分析這些附件是否完好，從而保證高壓輸電線路安全運行。

但是，當無人機在靠近輸電線飛行時，無人機上的電子設備易受到高壓輸電線輻射的電場的幹擾，影響無人機安全飛行，嚴重時可能會導致無人機墜毀。而且，無人機在沿高壓輸電線朝向高壓鐵塔飛行的過程中，需要定位和判斷高壓鐵塔的具體位置，以便完成靠近拍照攝像，通常採用的做法是依靠地面操作人員遙控，讓無人機靠近鐵塔，但是，這並不利於一些人不易到達的惡劣鐵塔環境進行巡線作業。

因此，現有的無人機電力巡線作業中，無法有效引導和控制無人機的電力巡線。

技術實現要素：

本發明實施例提供了基於電場測距和半主動雷射引導的無人機電力巡線系統，解決了現有無人機電力巡線作業中，無法有效引導和控制無人機的電力巡線的技術問題。

為了解決上述技術問題，本發明實施例提供了基於電場測距和半主動雷射引導的無人機電力巡線系統，包括：機載模塊、地面雷射指示模塊，機載模塊包括光電探測單元、電場檢測單元、控制處理單元、飛行控制單元；

地面雷射指示模塊用於發射指示高壓鐵塔具體位置的雷射信號；

電場檢測單元用於檢測高壓輸電線的電場信號，經控制處理單元處理後，獲得無人機距離高壓輸電線的距離，並發送至無人機的飛行控制單元；

光電探測單元用於探測由高壓鐵塔反射的雷射信號，並經過控制處理單元的處理後，獲得所述雷射信號所指定的方位，並發送至飛行控制單元；

飛行控制單元根據無人機距離高壓輸電線的距離，控制無人機的飛行高度，根據所述雷射信號所指定的方位，控制無人機的飛行方向。

本發明實施例至少具有如下技術效果或優點：

由於在基於電場測距和半主動雷射引導的無人機電力巡線系統中，機載模塊中的電場檢測單元檢測高壓輸電線的電場，經控制處理單元處理後，獲得無人機距離高壓輸電線的距離，並發送至無人機的飛行控制單元，機載模塊中的光電探測單元探測由高壓鐵塔反射的雷射信號，並經過控制處理單元的處理後，獲得雷射信號所指定的方位，並發送至飛行控制單元，由飛行控制單元根據無人機距離高壓輸電線的距離，控制無人機的飛行高度，根據雷射信號所指定的方位，控制無人機的飛行方向，實現自主巡線。

附圖說明

圖1為本發明實施例中基於電場測距和半主動雷射引導的無人機電力巡線系統的模塊示意圖；

圖2為本發明實施例中無線接收模塊與地面管理模塊的連接示意圖；

圖3為本發明實施例中地面雷射指示模塊的結構示意圖；、

圖4為本發明實施例中電場檢測模塊的示意圖；

圖5為本發明實施例中x方向信號調理電路的結構示意圖；

圖6為本發明實施例中四象限探測器坐標系示意圖；

圖7為本發明實施例中機載模塊10的具體模塊示意圖。

具體實施方式

本發明實施例通過提供基於電場測距和半主動雷射引導的無人機電力巡線系統，解決了現有無人機電力巡線作業中，無法有效引導和控制無人機的電力巡線的技術問題。

為了解決上述技術問題，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術方案進行詳細的說明。

本發明實施例提供了基於電場測距和半主動雷射引導的無人機電力巡線系統，如圖1所示，包括機載模塊10、地面雷射指示模塊20，該機載模塊10包括光電探測單元101、電場檢測單元102、控制處理單元103、飛行控制單元104。具體地，地面雷射指示模塊20用於發射指示高壓鐵塔具體位置的雷射信號，電場檢測單元102用於檢測高壓輸電線的電場，經控制處理單元103處理後，獲得無人機距離高壓輸電線的距離，並發送至無人機的飛行控制單元104,飛行控制單元104根據無人機距離高壓輸電線的距離，控制無人機的飛行高度，根據該雷射信號所指定的方位，控制無人機的飛行方向。

在具體的實施方式中，該無人機電力巡線系統還包括地面無線接收模塊30以及地面管理模塊40，該機載模塊10還包括由無線發送單元105，該地面無線接收模塊30用於接收機載模塊10通過無線發送單元105發送的無人機距離高壓輸電線的距離信息和雷射信號所指定的方位，並發送至地面管理模塊40進行顯示。

具體地，該地面無線接收模塊30採用與機載模塊10的無線發送單元105相同的工作頻段，將收到的電場信號通過rs232串行接口發送到地面管理模塊40，該地面管理模塊40具體是計算機，包括有顯示器，能夠顯示該電場信號的參數信息，以及告警狀態。如圖2所示為地面無線接收模塊30與地面管理模塊40的連接示意圖。

具體地，該地面雷射指示模塊20具體為固體雷射器，如圖3所示，該固體雷射器包括殼體，殼體內由輸出反射鏡201與平面全反射鏡202構成的平行光學諧振腔，在該輸出反射鏡201與平面全反射鏡202之間依次設置有nd:yag雷射工作物質203、偏振片204、kd*p電光調q晶體205，還包括垂直該平行光學諧振腔且對準nd:yag雷射工作物質203的泵浦氙燈206，該泵浦氙燈206處還設置有聚光腔207，殼體外設置有冷卻器208。其中，該nd:yag雷射工作物質203能夠產生1.06μm波長的雷射，輸出反射鏡201是一個反射率為98％的平面鏡，該輸出反射鏡201與平面全反射鏡202構成的平行光學諧振腔的長度為雷射半波長的整數倍，kd*p電光調q晶體205具體原料為磷酸二氖鉀，其作用是改變諧振腔的損耗，使雷射能夠形成脈衝輸出。該泵浦氙燈206是利用聚光腔207將光能量會聚到nd:yag雷射工作物質203上，雷射器的轉換效率較低，需要冷卻器208對雷射器進行冷卻。

固體雷射器具體的工作原理：泵浦氙燈206產生脈衝泵浦光，泵浦光激發nd:yag雷射工作物質203，使得粒子反轉到高能級亞穩態，此時，kd*p電光調q晶體205上未加電壓，雷射諧振腔具有高損耗qh，由於該雷射器閾值高而不能形成振蕩，於是亞穩態上的離子開始積累，當離子反轉數積累到一定數量時，在一定時刻，在kd*p電光調q晶體205上加脈衝電壓，此時諧振腔的損耗突然降低到q，閾值也突然降低，此時反轉粒子的集居數大大超過閉值，受激輻射迅速增強，於是在極短的時間內，處於亞穩態的離子釋放出能量，從而輸出雷射脈衝。

該電場檢測單元102採用電容器極板在電場中產生電壓差原理設計，具體地，採用在一個立方體裝置的六個表面上放置電容極板，如圖4所示，從而形成三個相互正交放置的電容器，用來測量x,y,z三個正交方向上的電場強度。該立方體的邊長為2.5cm，採用fr4材料製成，厚度為1.6mm，每個表面上的電容電極採用半徑為1.5cm的圓形數銅，每個電容器的兩個電極採用線徑為0.4帶屏蔽的雙絞線引出，三個電容器的單對引出線穿過一個直徑為5mm、長度為15cm的素硬質塑料管，塑料管一端與電場檢測單元固定，另一端與機載模塊電路板固定，三對電容器引出線的另一端焊接在機載模塊電路板上，與電場信號調理電路連接。

在該電場檢測單元102與控制處理單元103之間還包括有電場信號調理單元106和a/d變換單元107，該電場信號調理單元106包括濾波電路和放大電路，濾波電路用於對電場信號濾除幹擾信號，放大電路用於對濾除幹擾信號的電場信號進行放大，a/d變換單元107用於將電場的模擬信號轉換為數位訊號。

該電場信號調理單元主要用於測得代表x、y、z三個正交方向上的電場強度的微弱電壓信號進行濾波和放大，因此，該電場信號調理單元由濾波電路和放大電路組成，由於該電場檢測單元102是測量工頻交流高壓輸電線路的電場強度，因此，該電場信號調理單元中的濾波電路的功能是濾除其他頻率的幹擾信號，只保留50hz。放大電路是對微弱的電壓信號進行放大，以便進行後續的a/d變換和處理，如圖5所示，為x方向信號調理電路(y和z方向的調理電路與x方向的相同)。

當經過a/d變換單元變換後的信號進入控制處理單元103，該控制處理單元103對電場信號進行處理，具體地，控制處理單元103用於根據檢測到的三維電場的強度和方向計算探測到的合電場強度、方向，按照距離測算方法計算無人機距離高壓輸電線的距離。

電場的電壓和電場的輕度成線性關係，公式是ku＝e，該電場傳感器採用三維設計，每個方向都符合如下公式：

根據對電場檢測單元的校準數據，結合以上公式，計算出電場檢測單元在畸變的電場環境下的修正係數k1、k2、k3。該k1、k2、k3分別為電場探頭x、y、z三個方向的修正係數。

總的電場強度e等於

電場的方向由水平偏轉角α和豎直方向角β共同表示

高壓輸電線路因為電壓等級、輸電線鐵塔外形、輸電線的排列方式，甚至負荷的不同，輸電線周圍電場強度都是不同的，想要建立一個模型囊括所有輸電線路電場強度和距離的關係，是非常困難的。本設計根據需求，選擇電壓等級500kv，輸電線路同塔雙迴路垂直排列，根據該系統在現場測試的數據，我們建立了一個電場強度到中心導線距離這樣的一個實際工程函數，公式如下：

f(e)＝-1.824×10-10e3+7.297×10-7e2-0.005202e+46.2

e為合電場強度，f(e)為無人機距離輸電線路的距離。

經過控制處理單元103的處理之後，能夠獲得無人機應當距離高壓輸電線的距離。

此時，由飛行控制單元104根據無人機距離高壓輸電線的距離，控制無人機的飛行高度。

該光電探測單元101之前還設置有光學單元108，該光學單元108包括窄帶濾波片和透鏡，用於收集、匯聚由地面雷射指示模塊發射後並被高壓鐵塔反射的雷射信號。在該光電探測單元101和控制處理單元103之間還設置有雷射信號調理單元109和a/d變換單元107，該雷射信號調理單元109用於對光電探測單元產生的微波電信號進行濾波和放大處理，該a/d變換單元107用於將雷射的模擬信號轉換為數位訊號。

該光電探測單元101具體為四象限光電探測器，用於獲取高壓鐵塔反射的雷射信號的光斑位於四象限探測器坐標系上的坐標位置。

具體地，如圖6所示為四象限探測器坐標系示意圖。該四象限探測器光敏面有a、b、c、d四部分，假設入射光斑為圓形且能量分布均勻，照射到光敏面上的光斑被四個象限分成四個部分，此時，由於光生伏特效應，對應的四象限電極將光能轉換成電能，產生大小為ia、ib、ic、id的阻抗電流，ea、eb、ec、ed分別表示入射到四個象限的光斑總能量，sa、sb、sc、sd分別表示入射到四個象限的光斑面積，當光斑中心在四個象限探測器上的位置改變時，光敏面各象限上的光斑面積也會改變，從而引起四象限探測器各象限輸出電流強度的變化。

在整個測量範圍內，光斑能量中心的偏移量信號與光斑中心實際偏移量在偏離探測中心較遠時並不滿足線性關係，僅在線性區域內，這種比例關係為一個常數，設為k。

採用加減算法處理四路電壓信號，具體公式為：

x0,y0分別是光斑中心在四象限探測器坐標系上的坐標，通過光斑中心的位置，可以對高壓鐵塔的位置進行指示，從而使得無人機沿著該光斑所指定的方位飛行。

比如，x0,y0＝(1,4)，通過調整無人機的飛行方向，使得該四象限探測器坐標系上顯示的光斑中心的能夠回到(0,0)，這樣，就能保證無人機是沿著高壓鐵塔所指定的方向飛行。

通過一邊控制無人機的飛行高度，一邊控制無人機的飛行方向，使得無人機實現自主巡線。

該機載模塊10的具體模塊示意圖如圖7所示。

該系統能夠實現無人機在電力巡線時自定檢測與高線之間的距離，能夠準確定位高壓輸電線鐵塔的具體位置，有助於實現巡線無人機安全、準確地自主巡線，提高巡線效率，保障無人機飛行安全，能產生可觀的經濟效益。

半主動雷射引導技術可以提供精確的定位，使無人機能夠精確定位鐵塔的位置。雷射目標指示器有較遠的發射距離，可以引導無人機做較遠的飛行。此外，10.6μm波長的雷射具有良好的穿透性，能在較差天氣環境下工作。

電場檢測單元能夠使無人機在飛行過程中保持與輸電線的安全距離，免受高壓輸電線電場幹擾，避免了無人機與電線的碰撞，避免造成高壓輸電線路輸電中斷和無人機墜毀等事故的發生。

本發明成果應用於無人機上，將使得無人機的探測迴避系統更加完善和智能，提高無人機的飛行安全和效率，有助於無人機的規模化應用。本研究成果的應用，也能使操作控制者從高度集中的控制工作中解脫出來。

該系統採用小型化設計以滿足機載設備對體積小、重量輕的要求；採用電磁兼容性設計，以提高系統的可靠性和電磁兼容性。

儘管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明範圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。