本發(fā)明涉及無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于電場測距和半主動(dòng)激光引導(dǎo)的無人機(jī)電力巡線系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在電力巡線作業(yè)中，無人機(jī)巡檢以其無需作業(yè)人員親臨塔底、效率高、無巡檢“盲區(qū)”等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。無人機(jī)進(jìn)行電力巡線作業(yè)是通過無人機(jī)沿著高壓電力線路飛行，靠近高壓鐵塔時(shí)，對高壓鐵塔上的絕緣子、金具等附件進(jìn)行拍照或攝像，以供地面電力維護(hù)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(yùn)行。

但是，當(dāng)無人機(jī)在靠近輸電線飛行時(shí)，無人機(jī)上的電子設(shè)備易受到高壓輸電線輻射的電場的干擾，影響無人機(jī)安全飛行，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)墜毀。而且，無人機(jī)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，通常采用的做法是依靠地面操作人員遙控，讓無人機(jī)靠近鐵塔，但是，這并不利于一些人不易到達(dá)的惡劣鐵塔環(huán)境進(jìn)行巡線作業(yè)。

因此，現(xiàn)有的無人機(jī)電力巡線作業(yè)中，無法有效引導(dǎo)和控制無人機(jī)的電力巡線。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供了基于電場測距和半主動(dòng)激光引導(dǎo)的無人機(jī)電力巡線系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有無人機(jī)電力巡線作業(yè)中，無法有效引導(dǎo)和控制無人機(jī)的電力巡線的技術(shù)問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了基于電場測距和半主動(dòng)激光引導(dǎo)的無人機(jī)電力巡線系統(tǒng)，包括：機(jī)載模塊、地面激光指示模塊，機(jī)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；

地面激光指示模塊用于發(fā)射指示高壓鐵塔具體位置的激光信號；

電場檢測單元用于檢測高壓輸電線的電場信號，經(jīng)控制處理單元處理后，獲得無人機(jī)距離高壓輸電線的距離，并發(fā)送至無人機(jī)的飛行控制單元；

光電探測單元用于探測由高壓鐵塔反射的激光信號，并經(jīng)過控制處理單元的處理后，獲得所述激光信號所指定的方位，并發(fā)送至飛行控制單元；

飛行控制單元根據(jù)無人機(jī)距離高壓輸電線的距離，控制無人機(jī)的飛行高度，根據(jù)所述激光信號所指定的方位，控制無人機(jī)的飛行方向。

本發(fā)明實(shí)施例至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

由于在基于電場測距和半主動(dòng)激光引導(dǎo)的無人機(jī)電力巡線系統(tǒng)中，機(jī)載模塊中的電場檢測單元檢測高壓輸電線的電場，經(jīng)控制處理單元處理后，獲得無人機(jī)距離高壓輸電線的距離，并發(fā)送至無人機(jī)的飛行控制單元，機(jī)載模塊中的光電探測單元探測由高壓鐵塔反射的激光信號，并經(jīng)過控制處理單元的處理后，獲得激光信號所指定的方位，并發(fā)送至飛行控制單元，由飛行控制單元根據(jù)無人機(jī)距離高壓輸電線的距離，控制無人機(jī)的飛行高度，根據(jù)激光信號所指定的方位，控制無人機(jī)的飛行方向，實(shí)現(xiàn)自主巡線。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中基于電場測距和半主動(dòng)激光引導(dǎo)的無人機(jī)電力巡線系統(tǒng)的模塊示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)施例中地面激光指示模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；、

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中電場檢測模塊的示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中x方向信號調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中四象限探測器坐標(biāo)系示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中機(jī)載模塊10的具體模塊示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例通過提供基于電場測距和半主動(dòng)激光引導(dǎo)的無人機(jī)電力巡線系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有無人機(jī)電力巡線作業(yè)中，無法有效引導(dǎo)和控制無人機(jī)的電力巡線的技術(shù)問題。

為了解決上述技術(shù)問題，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實(shí)施方式對上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。

本發(fā)明實(shí)施例提供了基于電場測距和半主動(dòng)激光引導(dǎo)的無人機(jī)電力巡線系統(tǒng)，如圖1所示，包括機(jī)載模塊10、地面激光指示模塊20，該機(jī)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，地面激光指示模塊20用于發(fā)射指示高壓鐵塔具體位置的激光信號，電場檢測單元102用于檢測高壓輸電線的電場，經(jīng)控制處理單元103處理后，獲得無人機(jī)距離高壓輸電線的距離，并發(fā)送至無人機(jī)的飛行控制單元104,飛行控制單元104根據(jù)無人機(jī)距離高壓輸電線的距離，控制無人機(jī)的飛行高度，根據(jù)該激光信號所指定的方位，控制無人機(jī)的飛行方向。

在具體的實(shí)施方式中，該無人機(jī)電力巡線系統(tǒng)還包括地面無線接收模塊30以及地面管理模塊40，該機(jī)載模塊10還包括由無線發(fā)送單元105，該地面無線接收模塊30用于接收機(jī)載模塊10通過無線發(fā)送單元105發(fā)送的無人機(jī)距離高壓輸電線的距離信息和激光信號所指定的方位，并發(fā)送至地面管理模塊40進(jìn)行顯示。

具體地，該地面無線接收模塊30采用與機(jī)載模塊10的無線發(fā)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(fā)送到地面管理模塊40，該地面管理模塊40具體是計(jì)算機(jī)，包括有顯示器，能夠顯示該電場信號的參數(shù)信息，以及告警狀態(tài)。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，該地面激光指示模塊20具體為固體激光器，如圖3所示，該固體激光器包括殼體，殼體內(nèi)由輸出反射鏡201與平面全反射鏡202構(gòu)成的平行光學(xué)諧振腔，在該輸出反射鏡201與平面全反射鏡202之間依次設(shè)置有nd:yag激光工作物質(zhì)203、偏振片204、kd*p電光調(diào)q晶體205，還包括垂直該平行光學(xué)諧振腔且對準(zhǔn)nd:yag激光工作物質(zhì)203的泵浦氙燈206，該泵浦氙燈206處還設(shè)置有聚光腔207，殼體外設(shè)置有冷卻器208。其中，該nd:yag激光工作物質(zhì)203能夠產(chǎn)生1.06μm波長的激光，輸出反射鏡201是一個(gè)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(gòu)成的平行光學(xué)諧振腔的長度為激光半波長的整數(shù)倍，kd*p電光調(diào)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，使激光能夠形成脈沖輸出。該泵浦氙燈206是利用聚光腔207將光能量會(huì)聚到nd:yag激光工作物質(zhì)203上，激光器的轉(zhuǎn)換效率較低，需要冷卻器208對激光器進(jìn)行冷卻。

固體激光器具體的工作原理：泵浦氙燈206產(chǎn)生脈沖泵浦光，泵浦光激發(fā)nd:yag激光工作物質(zhì)203，使得粒子反轉(zhuǎn)到高能級亞穩(wěn)態(tài)，此時(shí)，kd*p電光調(diào)q晶體205上未加電壓，激光諧振腔具有高損耗qh，由于該激光器閾值高而不能形成振蕩，于是亞穩(wěn)態(tài)上的離子開始積累，當(dāng)離子反轉(zhuǎn)數(shù)積累到一定數(shù)量時(shí)，在一定時(shí)刻，在kd*p電光調(diào)q晶體205上加脈沖電壓，此時(shí)諧振腔的損耗突然降低到q，閾值也突然降低，此時(shí)反轉(zhuǎn)粒子的集居數(shù)大大超過閉值，受激輻射迅速增強(qiáng)，于是在極短的時(shí)間內(nèi)，處于亞穩(wěn)態(tài)的離子釋放出能量，從而輸出激光脈沖。

該電場檢測單元102采用電容器極板在電場中產(chǎn)生電壓差原理設(shè)計(jì)，具體地，采用在一個(gè)立方體裝置的六個(gè)表面上放置電容極板，如圖4所示，從而形成三個(gè)相互正交放置的電容器，用來測量x,y,z三個(gè)正交方向上的電場強(qiáng)度。該立方體的邊長為2.5cm，采用fr4材料制成，厚度為1.6mm，每個(gè)表面上的電容電極采用半徑為1.5cm的圓形數(shù)銅，每個(gè)電容器的兩個(gè)電極采用線徑為0.4帶屏蔽的雙絞線引出，三個(gè)電容器的單對引出線穿過一個(gè)直徑為5mm、長度為15cm的素硬質(zhì)塑料管，塑料管一端與電場檢測單元固定，另一端與機(jī)載模塊電路板固定，三對電容器引出線的另一端焊接在機(jī)載模塊電路板上，與電場信號調(diào)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(diào)理單元106和a/d變換單元107，該電場信號調(diào)理單元106包括濾波電路和放大電路，濾波電路用于對電場信號濾除干擾信號，放大電路用于對濾除干擾信號的電場信號進(jìn)行放大，a/d變換單元107用于將電場的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

該電場信號調(diào)理單元主要用于測得代表x、y、z三個(gè)正交方向上的電場強(qiáng)度的微弱電壓信號進(jìn)行濾波和放大，因此，該電場信號調(diào)理單元由濾波電路和放大電路組成，由于該電場檢測單元102是測量工頻交流高壓輸電線路的電場強(qiáng)度，因此，該電場信號調(diào)理單元中的濾波電路的功能是濾除其他頻率的干擾信號，只保留50hz。放大電路是對微弱的電壓信號進(jìn)行放大，以便進(jìn)行后續(xù)的a/d變換和處理，如圖5所示，為x方向信號調(diào)理電路(y和z方向的調(diào)理電路與x方向的相同)。

當(dāng)經(jīng)過a/d變換單元變換后的信號進(jìn)入控制處理單元103，該控制處理單元103對電場信號進(jìn)行處理，具體地，控制處理單元103用于根據(jù)檢測到的三維電場的強(qiáng)度和方向計(jì)算探測到的合電場強(qiáng)度、方向，按照距離測算方法計(jì)算無人機(jī)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(guān)系，公式是ku＝e，該電場傳感器采用三維設(shè)計(jì)，每個(gè)方向都符合如下公式：

根據(jù)對電場檢測單元的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，結(jié)合以上公式，計(jì)算出電場檢測單元在畸變的電場環(huán)境下的修正系數(shù)k1、k2、k3。該k1、k2、k3分別為電場探頭x、y、z三個(gè)方向的修正系數(shù)。

總的電場強(qiáng)度e等于

電場的方向由水平偏轉(zhuǎn)角α和豎直方向角β共同表示

高壓輸電線路因?yàn)殡妷旱燃?、輸電線鐵塔外形、輸電線的排列方式，甚至負(fù)荷的不同，輸電線周圍電場強(qiáng)度都是不同的，想要建立一個(gè)模型囊括所有輸電線路電場強(qiáng)度和距離的關(guān)系，是非常困難的。本設(shè)計(jì)根據(jù)需求，選擇電壓等級500kv，輸電線路同塔雙回路垂直排列，根據(jù)該系統(tǒng)在現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)，我們建立了一個(gè)電場強(qiáng)度到中心導(dǎo)線距離這樣的一個(gè)實(shí)際工程函數(shù)，公式如下：

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

e為合電場強(qiáng)度，f(e)為無人機(jī)距離輸電線路的距離。

經(jīng)過控制處理單元103的處理之后，能夠獲得無人機(jī)應(yīng)當(dāng)距離高壓輸電線的距離。

此時(shí)，由飛行控制單元104根據(jù)無人機(jī)距離高壓輸電線的距離，控制無人機(jī)的飛行高度。

該光電探測單元101之前還設(shè)置有光學(xué)單元108，該光學(xué)單元108包括窄帶濾波片和透鏡，用于收集、匯聚由地面激光指示模塊發(fā)射后并被高壓鐵塔反射的激光信號。在該光電探測單元101和控制處理單元103之間還設(shè)置有激光信號調(diào)理單元109和a/d變換單元107，該激光信號調(diào)理單元109用于對光電探測單元產(chǎn)生的微波電信號進(jìn)行濾波和放大處理，該a/d變換單元107用于將激光的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

該光電探測單元101具體為四象限光電探測器，用于獲取高壓鐵塔反射的激光信號的光斑位于四象限探測器坐標(biāo)系上的坐標(biāo)位置。

具體地，如圖6所示為四象限探測器坐標(biāo)系示意圖。該四象限探測器光敏面有a、b、c、d四部分，假設(shè)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(gè)象限分成四個(gè)部分，此時(shí)，由于光生伏特效應(yīng)，對應(yīng)的四象限電極將光能轉(zhuǎn)換成電能，產(chǎn)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(gè)象限的光斑總能量，sa、sb、sc、sd分別表示入射到四個(gè)象限的光斑面積，當(dāng)光斑中心在四個(gè)象限探測器上的位置改變時(shí)，光敏面各象限上的光斑面積也會(huì)改變，從而引起四象限探測器各象限輸出電流強(qiáng)度的變化。

在整個(gè)測量范圍內(nèi)，光斑能量中心的偏移量信號與光斑中心實(shí)際偏移量在偏離探測中心較遠(yuǎn)時(shí)并不滿足線性關(guān)系，僅在線性區(qū)域內(nèi)，這種比例關(guān)系為一個(gè)常數(shù)，設(shè)為k。

采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(biāo)系上的坐標(biāo)，通過光斑中心的位置，可以對高壓鐵塔的位置進(jìn)行指示，從而使得無人機(jī)沿著該光斑所指定的方位飛行。

比如，x0,y0＝(1,4)，通過調(diào)整無人機(jī)的飛行方向，使得該四象限探測器坐標(biāo)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(jī)是沿著高壓鐵塔所指定的方向飛行。

通過一邊控制無人機(jī)的飛行高度，一邊控制無人機(jī)的飛行方向，使得無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主巡線。

該機(jī)載模塊10的具體模塊示意圖如圖7所示。

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)在電力巡線時(shí)自定檢測與高線之間的距離，能夠準(zhǔn)確定位高壓輸電線鐵塔的具體位置，有助于實(shí)現(xiàn)巡線無人機(jī)安全、準(zhǔn)確地自主巡線，提高巡線效率，保障無人機(jī)飛行安全，能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

半主動(dòng)激光引導(dǎo)技術(shù)可以提供精確的定位，使無人機(jī)能夠精確定位鐵塔的位置。激光目標(biāo)指示器有較遠(yuǎn)的發(fā)射距離，可以引導(dǎo)無人機(jī)做較遠(yuǎn)的飛行。此外，10.6μm波長的激光具有良好的穿透性，能在較差天氣環(huán)境下工作。

電場檢測單元能夠使無人機(jī)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干擾，避免了無人機(jī)與電線的碰撞，避免造成高壓輸電線路輸電中斷和無人機(jī)墜毀等事故的發(fā)生。

本發(fā)明成果應(yīng)用于無人機(jī)上，將使得無人機(jī)的探測回避系統(tǒng)更加完善和智能，提高無人機(jī)的飛行安全和效率，有助于無人機(jī)的規(guī)?；瘧?yīng)用。本研究成果的應(yīng)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(tǒng)采用小型化設(shè)計(jì)以滿足機(jī)載設(shè)備對體積小、重量輕的要求；采用電磁兼容性設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的可靠性和電磁兼容性。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。