本實(shí)用新型屬于輸電線路巡線無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，特別涉及一種架空輸電線路巡線無(wú)人機(jī)的電磁場(chǎng)定位裝置，主要用于架空輸電線路巡線無(wú)人機(jī)定位。

背景技術(shù)：

架空電力線路的覆蓋區(qū)域廣、穿越區(qū)域地形復(fù)雜并且自然環(huán)境惡劣。電力線、桿塔長(zhǎng)期在野外暴露，不斷受到機(jī)械張力、材料老化、雷擊、污穢等外界因素的侵害，容易導(dǎo)致導(dǎo)地線斷股、金具腐蝕、絕緣子破損、桿塔傾斜等故障的發(fā)生，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行修復(fù)、更換，最終會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。為了掌握線路的運(yùn)行狀況和及時(shí)排除線路的潛在隱患，需要定期巡檢輸電線路，隨時(shí)掌握線路保護(hù)區(qū)的環(huán)境變化情況，迅速發(fā)現(xiàn)并消除隱患，防止重大事故發(fā)生，確保供電的安全與可靠。

無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展為架空電力線路的巡線提供了新的移動(dòng)平臺(tái)。利用無(wú)人機(jī)搭載巡檢設(shè)備進(jìn)行巡線，有著傳統(tǒng)巡線方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：1)無(wú)人駕駛，不會(huì)造成人員傷亡，安全性高；2)不受地理?xiàng)l件的限制，即使遇到地震，洪澇等自然災(zāi)害，依然能夠?qū)κ転?zāi)區(qū)域的電力線路進(jìn)行巡檢；3)巡線速度快，每小時(shí)可達(dá)幾十公里。無(wú)人機(jī)對(duì)輸電線路巡檢更加安全，成本低，效率高，且可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)輸電線路存在的缺陷，解決人工巡檢存在巡檢“盲區(qū)”的問(wèn)題。無(wú)人機(jī)可以攜帶多種傳感器對(duì)輸電線路進(jìn)行巡視，可以通過(guò)分析無(wú)人機(jī)對(duì)輸電線路拍攝的影音資料(紅外、紫外、可見光)，得到輸電線路存在的缺陷，盡早的發(fā)現(xiàn)并消除可能出現(xiàn)的隱患。然而，目前巡線無(wú)人機(jī)在遠(yuǎn)離操作人員時(shí)，其在人眼中僅為一個(gè)黑點(diǎn)，此時(shí)很難判斷無(wú)人機(jī)與輸電線路的相對(duì)位置，影響工作人員對(duì)巡線無(wú)人機(jī)飛行路徑的控制。但現(xiàn)在大多數(shù)無(wú)人機(jī)電力巡線項(xiàng)目多處于科研階段，無(wú)人機(jī)巡檢仍存在一些問(wèn)題。巡線無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，因位于輸電線路導(dǎo)線附近，使其處于較強(qiáng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的環(huán)境中，會(huì)使得無(wú)人機(jī)作業(yè)受到比較嚴(yán)重電磁干擾，其性能遭受影響，可能使得巡檢作業(yè)無(wú)法正常進(jìn)行，嚴(yán)重的甚至無(wú)人機(jī)墜毀，造成較大經(jīng)濟(jì)損失；另一方面，不同的巡檢任務(wù)具有不同的巡檢要求，例如在定期巡檢或特殊巡檢時(shí)要求對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的圖像采集盡可能多，在對(duì)災(zāi)情檢查或者故障巡視時(shí)需要無(wú)人機(jī)可以快速地對(duì)目標(biāo)點(diǎn)監(jiān)測(cè)。而且最大巡檢距離和時(shí)間有限。上述問(wèn)題均與無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)的路徑選擇和空間位置選取相關(guān)，因此，對(duì)無(wú) 人機(jī)在輸電線路巡檢中的路徑規(guī)劃和空間位置定位的研究,以及對(duì)提高無(wú)人機(jī)巡檢效率、安全和降低成本非常重要。雖然無(wú)人機(jī)巡線會(huì)受到航空申請(qǐng)、機(jī)體載重和天氣惡劣等條件的限制，但隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，這些問(wèn)題都能夠得到解決。將無(wú)人機(jī)這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于電力線路巡檢，包括融合電子、通信、圖像識(shí)別等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，形成一整套的無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)，可以大大減輕電力巡線的人力投入，同時(shí)又能快速、安全地對(duì)線路實(shí)施巡檢，是一個(gè)很有前途的研究方向，并且具有重要的實(shí)用價(jià)值。

現(xiàn)有人工巡檢的方式中，存在許多“盲區(qū)”，耗費(fèi)很多人力物力，不能滿足智能電網(wǎng)發(fā)展經(jīng)濟(jì)性和安全性的需求；采用人工的方式對(duì)架空輸電線路進(jìn)行巡檢，在野外復(fù)雜的環(huán)境下，工作人員人身安全易受到自然界中其他因素的威脅，而現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)巡線時(shí)，由于其定位不準(zhǔn)確，不能達(dá)到對(duì)巡線的技術(shù)要求；因?yàn)樵诤线m的距離下，巡線無(wú)人機(jī)才能達(dá)到最佳的巡線結(jié)果，從而支持我們對(duì)線路運(yùn)行情況的正確判斷。目前無(wú)人機(jī)巡線時(shí)，因?yàn)槿庋鄄荒軠?zhǔn)確判斷出無(wú)人機(jī)與架空線的距離，達(dá)不到最佳效果，對(duì)架空線和無(wú)人機(jī)都將產(chǎn)生巨大威脅。

現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)：現(xiàn)有技術(shù)只是單方面檢測(cè)電場(chǎng)或者磁場(chǎng)，在三維成像時(shí)存在誤差。當(dāng)架空線電流電壓變化時(shí)，單方面的場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，不具有測(cè)量判斷的可依靠性。利用GPS RTK技術(shù)雖然可以獲得厘米級(jí)精度的導(dǎo)航信息，但其在輸電線路架空鐵塔上安裝多個(gè)基準(zhǔn)子系統(tǒng)，不僅使線路運(yùn)行造價(jià)提高，還給運(yùn)維檢修人員上塔作業(yè)帶來(lái)了很多困擾，不符合線路建設(shè)原則。

目前無(wú)人機(jī)定位系統(tǒng)，有利用機(jī)器視覺模擬人的視覺功能，運(yùn)用視覺算法實(shí)現(xiàn)定位；GPS定位，例如專利《一種基于GPS RTK技術(shù)的電力巡線無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)》(專利申請(qǐng)?zhí)?01410100706.5)提出的導(dǎo)航系統(tǒng)，它包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)人機(jī)移動(dòng)站，基準(zhǔn)站子系統(tǒng)以及地面站監(jiān)控子系統(tǒng)，其中多個(gè)基準(zhǔn)站子系統(tǒng)分別布置在電力線路塔架上，利用基準(zhǔn)子系統(tǒng)將GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)傳給移動(dòng)站；電場(chǎng)差分避障方法(專利申請(qǐng)?zhí)?01210222437.0)等。國(guó)內(nèi)對(duì)小型無(wú)人機(jī)精確定位并不多，大部分還處在初級(jí)階段。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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，但主要的研究方向是高壓輸電導(dǎo)線電磁環(huán)境對(duì)人體和帶電作業(yè)人員的影響，以及對(duì)一些電子儀器的干擾。利用架空線的電磁環(huán)境實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)定位僅在少有的文獻(xiàn)和專利提及，譬如專利申請(qǐng)?zhí)枮?01210222437.0的專利《一種用于無(wú)人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)差分避障系統(tǒng)及方法》提及了利用的電場(chǎng)差分測(cè)量來(lái)規(guī)避導(dǎo)線，所采用的是兩路完全相同的電場(chǎng)測(cè)量裝置，通過(guò)一定的方式測(cè)得兩處電場(chǎng)強(qiáng)度，并計(jì)算差值與現(xiàn)有數(shù)據(jù)比較，從而得出無(wú)人機(jī)與導(dǎo)線之間的距離。該專利還提及了一種對(duì)不同 電壓等級(jí)的導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)變化做仿真計(jì)算距離導(dǎo)線越近，其計(jì)算分析結(jié)果越精確。測(cè)得的數(shù)據(jù)同現(xiàn)有的仿真數(shù)據(jù)比較，可進(jìn)行位置檢測(cè)和判斷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了滿足在利用無(wú)人機(jī)巡檢時(shí)對(duì)其定位的需求，尋找一種利用無(wú)人機(jī)所處位置的磁場(chǎng)矢量和電場(chǎng)矢量方法，本實(shí)用新型提供一種架空輸電線路巡線無(wú)人機(jī)的電磁場(chǎng)定位裝置，依據(jù)電磁場(chǎng)矢量與距離的數(shù)學(xué)關(guān)系確定巡線無(wú)人機(jī)與輸電線路之間的空間位置，解決目前無(wú)人機(jī)巡檢時(shí)難以用肉眼定位其與架空線的距離而引起的問(wèn)題。可有效提高對(duì)巡線無(wú)人機(jī)定位的準(zhǔn)確性，避免了肉眼觀察帶來(lái)的不確定性，達(dá)到安全高效的效果，同時(shí)提高了巡線的智能化程度。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：

一種架空輸電線路巡線無(wú)人機(jī)的電磁場(chǎng)定位裝置，包括磁場(chǎng)矢量測(cè)量裝置、電場(chǎng)矢量測(cè)量裝置、無(wú)線傳輸設(shè)備、報(bào)警裝置、終端控制系統(tǒng)。

磁場(chǎng)矢量測(cè)量裝置、電場(chǎng)矢量測(cè)量裝置安裝在無(wú)人機(jī)的支架上；無(wú)線傳輸設(shè)備的發(fā)射裝置安裝在無(wú)人機(jī)的機(jī)身內(nèi)；無(wú)線傳輸設(shè)備的發(fā)射裝置和接收裝置通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。

無(wú)線傳輸設(shè)備的接收裝置、報(bào)警裝置、終端控制系統(tǒng)安裝在地面控制室內(nèi)。

磁場(chǎng)矢量測(cè)量裝置由三個(gè)兩兩垂直放置的磁場(chǎng)探測(cè)線圈組成。

電場(chǎng)矢量測(cè)量裝置由三個(gè)相互垂直的絕緣環(huán)氧棒組成。

本實(shí)用新型一種架空輸電線路巡線無(wú)人機(jī)的電磁場(chǎng)定位裝置，優(yōu)點(diǎn)在于：

1：本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了架空輸電線路巡線無(wú)人機(jī)利用電磁矢量定位，可通過(guò)對(duì)其周圍電磁場(chǎng)的檢測(cè)，滿足無(wú)人機(jī)操作員對(duì)巡線無(wú)人機(jī)位置的確定，使其能安全高效的工作；

2：本實(shí)用新型中使用的定位系統(tǒng)是利用電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量，可有效避肉眼觀察所帶來(lái)的不確定性，提高定位的準(zhǔn)確性。為巡線無(wú)人機(jī)正常工作提供一種保障；

3：本實(shí)用新型提出的通過(guò)測(cè)量電場(chǎng)、磁場(chǎng)矢量的方法來(lái)確定巡線無(wú)人機(jī)與架空線之間的距離，成功解決了人眼直接觀察帶來(lái)的不便，采用電子測(cè)量器件提高了自動(dòng)化程度，是技術(shù)進(jìn)步的表現(xiàn)。可為無(wú)人機(jī)提供在不同飛行環(huán)境下定位，為架空線路的巡線帶來(lái)了新的的技術(shù)手段，解決了當(dāng)前無(wú)人機(jī)運(yùn)用到實(shí)際工程中所遇到的問(wèn)題。

4：本實(shí)用新型采用的兩種矢量定位，在無(wú)人機(jī)與導(dǎo)線不平行飛行時(shí)依然可以準(zhǔn)確定位，可實(shí)現(xiàn)在無(wú)人機(jī)變換方向等特殊情況時(shí)，依然能夠安全穩(wěn)定的作業(yè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型輸電線路巡線無(wú)人機(jī)的電磁場(chǎng)定位裝置示意圖。

圖2為本實(shí)用新型的磁場(chǎng)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型的電場(chǎng)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實(shí)用新型的輸電線路巡線無(wú)人機(jī)的電磁場(chǎng)定位裝置運(yùn)行示意圖。

1-無(wú)人機(jī)；1.1-無(wú)人機(jī)機(jī)身；1.2--支架；2-磁場(chǎng)矢量測(cè)量裝置；2.1-磁場(chǎng)探測(cè)線圈；3-電場(chǎng)矢量測(cè)量裝置；3.1-絕緣環(huán)氧棒；4-無(wú)線傳輸設(shè)備；4.1-發(fā)射裝置；4.2-接收裝置4.2；4.3-無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；5-報(bào)警裝置；6-終端控制系統(tǒng)；7-輸電線路；8-磁場(chǎng)矢量；9-電場(chǎng)矢量。

具體實(shí)施方式

一種架空輸電線路巡線無(wú)人機(jī)的電磁場(chǎng)定位方法，通過(guò)測(cè)量無(wú)人機(jī)1所處位置的磁場(chǎng)矢量8和電場(chǎng)矢量9，依據(jù)電磁場(chǎng)矢量與距離的數(shù)學(xué)關(guān)系，確定無(wú)人機(jī)1與輸電線路7之間的空間位置。

電磁場(chǎng)矢量與距離的數(shù)學(xué)關(guān)系由以下的麥克斯韋方程組確定，

其中H，J，E，B，D分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度，電流密度，電場(chǎng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度，電位移矢量；x，y，z和x₀，y₀，z₀是分別是直角坐標(biāo)系下場(chǎng)和源的三個(gè)坐標(biāo)位置。通過(guò)測(cè)量直接得到磁場(chǎng)矢量B(x，y，z)和電場(chǎng)矢量E(x，y，z)，然后根據(jù)本構(gòu)方程：

D(x,y,z)＝εE(x,y,z)

B(x,y,z＝μH(x,y,z)

得到磁場(chǎng)強(qiáng)度H(x，y，z)和電位移矢量D(x，y，z)，這里ε，μ分別為空氣介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。以上方程即可求得場(chǎng)和源的相對(duì)位置，亦即確定了無(wú)人機(jī)1與輸電線路7之間的空間位置。

通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備4將所獲取的無(wú)人機(jī)1與輸電線路7之間的空間位置數(shù)據(jù)，傳遞至終端控制系統(tǒng)6。

電磁場(chǎng)矢量與距離的數(shù)學(xué)關(guān)系由以下的麥克斯韋方程組確定，

其中H，J，E，B，D分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度，電流密度，電場(chǎng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度，電位移矢量； x，y，z和x₀，y₀，z₀是分別是直角坐標(biāo)系下場(chǎng)和源的三個(gè)坐標(biāo)位置。通過(guò)測(cè)量直接得到磁場(chǎng)矢量B(x，y，z)和電場(chǎng)矢量E(x，y，z)，然后根據(jù)本構(gòu)方程：

D(x,y,z)＝εE(x,y,z)

B(x,y,z＝μH(x,y,z)

得到磁場(chǎng)強(qiáng)度H(x，y，z)和電位移矢量D(x，y，z)，這里ε，μ分別為空氣介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。以上方程即可求得場(chǎng)和源的相對(duì)位置，亦即確定了無(wú)人機(jī)1與輸電線路7之間的空間位置。

終端控制系統(tǒng)6由具有數(shù)據(jù)處理能力的計(jì)算機(jī)和方向控制器組成。由無(wú)線傳輸設(shè)備4的接收裝置4.2接收到的磁場(chǎng)矢量8和電場(chǎng)矢量9傳遞給終端控制系統(tǒng)6的計(jì)算機(jī)分析得到無(wú)人機(jī)1與輸電線路7之間的空間位置，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)控制方向控制器調(diào)整方向。

采用三分量法測(cè)量磁場(chǎng)矢量8，采用三軸正交法測(cè)量電場(chǎng)矢量9。

當(dāng)無(wú)人機(jī)1與輸電線路7之間的距離小于0.5m或大于2m時(shí)，將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并提醒操作人員調(diào)整飛行路徑。距離低于0.5m時(shí)容易發(fā)生無(wú)人機(jī)1與輸電線路7的放電，而距離大于2m時(shí)很難發(fā)現(xiàn)線路故障。

當(dāng)無(wú)人機(jī)1與輸電線路7的距離小于0.5m時(shí)，提示操作人員向著距離增大的方向調(diào)整；當(dāng)無(wú)人機(jī)1與輸電線路7的距離大于2m時(shí)，提示操作人員向著距離減小的方向調(diào)整。

距離低于0.5m時(shí)容易發(fā)生無(wú)人機(jī)1與輸電線路7的放電，而距離大于2m時(shí)很難發(fā)現(xiàn)線路故障。

一種架空輸電線路巡線無(wú)人機(jī)的電磁場(chǎng)定位裝置，包括磁場(chǎng)矢量測(cè)量裝置2、電場(chǎng)矢量測(cè)量裝置3、無(wú)線傳輸設(shè)備4、報(bào)警裝置5、終端控制系統(tǒng)6。

磁場(chǎng)矢量測(cè)量裝置2、電場(chǎng)矢量測(cè)量裝置3安裝在無(wú)人機(jī)1的支架1.2上；無(wú)線傳輸設(shè)備4的發(fā)射裝置4.1安裝在無(wú)人機(jī)1的機(jī)身1.1內(nèi)；磁場(chǎng)矢量測(cè)量裝置2、電場(chǎng)矢量測(cè)量裝置3與無(wú)線傳輸設(shè)備4通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)4.3連接。

無(wú)線傳輸設(shè)備4采用2.4G傳輸器，頻率選定寬度300-800MHz,將利用COFDM全數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)生成的信號(hào)發(fā)送出去。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選擇433MHz頻段無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，該頻段傳輸數(shù)據(jù)可達(dá)數(shù)公里。

無(wú)線傳輸設(shè)備4的接收裝置4.2、報(bào)警裝置5、終端控制系統(tǒng)6安裝在地面控制室內(nèi)。

報(bào)警裝置5采用蜂鳴器，同時(shí)發(fā)出震動(dòng)和聲音，例如SFM-27型DC6-24V電子蜂鳴器，可根據(jù)不同距離發(fā)出不同聲音。

磁場(chǎng)矢量測(cè)量裝置2由三個(gè)兩兩垂直放置的磁場(chǎng)探測(cè)線圈2.1組成。需要測(cè)量磁場(chǎng)矢量8的三個(gè)分量，所以需要相互正交的三個(gè)探測(cè)線圈。

電場(chǎng)矢量測(cè)量裝置3由三個(gè)相互垂直的絕緣環(huán)氧棒3.1組成。需要測(cè)量電場(chǎng)矢量8的三個(gè)分量，所以需要相互垂直的絕緣環(huán)氧棒。

實(shí)施例：

按照?qǐng)D2所示制作磁場(chǎng)矢量測(cè)量裝置2，按照?qǐng)D3所示制作電場(chǎng)矢量測(cè)量裝置3；分別將磁場(chǎng)矢量測(cè)量裝置2和電場(chǎng)矢量測(cè)量裝置3安裝在無(wú)人機(jī)1的支架1.2處；將磁場(chǎng)矢量測(cè)量裝置2和電場(chǎng)矢量測(cè)量裝置3通過(guò)傳輸線連接至無(wú)線傳輸設(shè)備4的發(fā)射裝置4.1，并將無(wú)線傳輸設(shè)備4的發(fā)射裝置4.1安裝在無(wú)人機(jī)1的機(jī)身1.1內(nèi)；將無(wú)線傳輸設(shè)備4的接收裝置4.2、報(bào)警裝置5、終端控制系統(tǒng)6安裝在地面控制室。

啟動(dòng)無(wú)人機(jī)1飛行至輸電線路7附近，測(cè)量此時(shí)無(wú)人機(jī)1所處位置的磁場(chǎng)矢量8和電場(chǎng)矢量9，并以此計(jì)算出其與輸電線路7之間的距離在0.5m至2m之間；繼續(xù)控制無(wú)人機(jī)1沿輸電線路7飛行，當(dāng)無(wú)人機(jī)1運(yùn)行至A點(diǎn)時(shí)，檢測(cè)到無(wú)人機(jī)1與輸電線路7之間的距離大于2m，報(bào)警裝置5發(fā)出距離過(guò)大警告，提示操作人員向著距離減小的方向調(diào)整；繼續(xù)控制無(wú)人機(jī)1沿輸電線路7飛行，當(dāng)無(wú)人機(jī)1運(yùn)行至B點(diǎn)時(shí)，檢測(cè)到無(wú)人機(jī)1與輸電線路7之間的距離小于0.5m，報(bào)警裝置5發(fā)出距離過(guò)小警告，提示操作人員向著距離增大的方向調(diào)整。

本實(shí)用新型可有效提高對(duì)巡線無(wú)人機(jī)定位的準(zhǔn)確性，避免了肉眼觀察帶來(lái)的不確定性，達(dá)到安全高效的效果，同時(shí)提高了巡線的智能化程度。