吳國(guó)松，倪宏，趙海麗，陳京

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司許昌供電公司，河南 許昌 461000)

0 引言

目前，取代人工巡線的主要方法是采用無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)，包括遙控巡檢飛行和自主避障跟蹤巡檢飛行2種作業(yè)方式，無(wú)人機(jī)在線路巡視中需要解決的主要問(wèn)題是[1-2]，具體飛行任務(wù)、起降位置坐標(biāo)、續(xù)航時(shí)間有限、應(yīng)對(duì)突發(fā)特請(qǐng)、姿態(tài)與高度監(jiān)控、路徑選擇、超限返航等[3-4]。關(guān)于姿態(tài)調(diào)整問(wèn)題和返航問(wèn)題目前已經(jīng)有比較成熟的解決方案，主要問(wèn)題在于線路識(shí)別與線路選取。巡檢作業(yè)要求飛行器與輸電線路保持合理的距離和相對(duì)位置，方便、可靠的線路跟蹤、避障技術(shù)等，所以，設(shè)計(jì)提供一種由無(wú)人飛行器搭載的，能夠自動(dòng)識(shí)別輸電線路空間位置，進(jìn)而為飛行器提供導(dǎo)航、跟蹤、控制信號(hào)的空中跟蹤傳感裝置，以實(shí)現(xiàn)飛行器的避障、自動(dòng)跟蹤巡線飛行功能，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景[5-6]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)與控制策略

系統(tǒng)由被動(dòng)式陣列磁感應(yīng)天線裝置、陣列掃描與采集控制電路、姿態(tài)與距離數(shù)據(jù)處理器3部分組成，被動(dòng)式陣列磁感應(yīng)天線裝置與后續(xù)控制、信息處理環(huán)節(jié)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 檢測(cè)與跟蹤方法原理框圖

基于距離輸電線路越近，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大的基本原理[7-8]，被動(dòng)式陣列磁感應(yīng)天線裝置采用由螺旋管電感線圈組成n×m矩陣型電磁場(chǎng)傳感陣列，作為輸電線路沿線空間磁場(chǎng)感知裝置，根據(jù)輸電線路空間敷設(shè)走向(通常是平行于地面)，傳感陣列平面與輸電線保持平行且垂直于地面，該位置狀態(tài)由飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。依據(jù)輸電線路的特定電壓等級(jí)以及飛行器的空間坐標(biāo)(飛行器自帶衛(wèi)星定位接收機(jī))，實(shí)時(shí)感知輸電線的存在與否，感知飛行器相對(duì)輸電線的距離信息和位置角度信息，為后續(xù)信號(hào)處理電路提供判別依據(jù)。陣列掃描與采集控制電路按照一定方式控制n×m矩陣型電磁場(chǎng)傳感陣列，可逐點(diǎn)掃描、逐行掃描、逐列掃描等，實(shí)現(xiàn)快速掃描驅(qū)動(dòng)和信號(hào)采集，并將信息傳輸給后面的姿態(tài)與數(shù)據(jù)處理器。姿態(tài)與距離數(shù)據(jù)處理器按照特別設(shè)計(jì)的快速數(shù)據(jù)處理算法，通過(guò)數(shù)字濾波、曲線擬合算法處理，解算出姿態(tài)參數(shù)、距離參數(shù)并實(shí)時(shí)傳送至機(jī)載飛空系統(tǒng)，用于調(diào)整飛行器的飛行軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的自動(dòng)跟蹤與避障飛行。

高壓輸電線路通常沿與地面平行方向架空敷設(shè)，依據(jù)電壓等級(jí)不同，線路與地面的距離是固定的某確定值(斜坡、丘陵地帶也是如此)。傳感陣列組件與陣列掃描與采集控制器之間還包含有穩(wěn)壓電路、諧振采樣電路、濾波調(diào)理電路、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等，系統(tǒng)控制電路原理如圖2所示。

2 輸電線路探測(cè)與巡線方法

被動(dòng)式陣列磁感應(yīng)天線采用10×10陣列，陣列掃描與采集和姿態(tài)與距離數(shù)據(jù)處理分別由2個(gè)處理器承擔(dān)，掃描與采集處理器進(jìn)行本周期掃描與采集控制的同時(shí)，數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行上一周期的數(shù)據(jù)處理，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)滿足飛行器飛控要求的實(shí)時(shí)信息輸出。針對(duì)輸電線路50 Hz交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)，將電感線圈感應(yīng)產(chǎn)生的50 Hz電壓信號(hào)進(jìn)行4倍頻處理，由高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行高速轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)并提取幅值參數(shù)，理論計(jì)算完成100個(gè)單元的驅(qū)動(dòng)與采集不超過(guò)500 ms，包括數(shù)據(jù)解算處理耗時(shí)在內(nèi)可實(shí)現(xiàn)每秒2次輸出數(shù)據(jù)的刷新，完全滿足巡線無(wú)人機(jī)對(duì)線路或設(shè)備跟蹤和避障的飛控要求。

圖2 系統(tǒng)控制原理

每個(gè)掃描采樣周期所采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)組，在本周期的最后階段通過(guò)高速串口傳輸給姿態(tài)與距離數(shù)據(jù)處理器，處理器根據(jù)本周期的數(shù)據(jù)按照設(shè)計(jì)算法解算出方位、俯仰、橫滾、距離等參數(shù)，并實(shí)時(shí)傳輸給機(jī)載飛控系統(tǒng)。

如圖3a所示，距輸電線x距離P點(diǎn)的磁場(chǎng)分布由下式確定

(1)

對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)輸電線有

(2)

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ0為真空磁導(dǎo)率；I為電流；Im為電流最大值；ω為角速度；t為時(shí)間。

P點(diǎn)處電感為L(zhǎng)的線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

ε=NSB=NSBmcosθsin(ωt)=

εmcosθsin(ωt) ，

(3)

式中：N為線圈匝數(shù)；S為線圈橫截面積，與線圈自感L有關(guān)；θ是磁感應(yīng)強(qiáng)度B矢量方向與線圈軸線的夾角，且與線圈在磁場(chǎng)中的姿態(tài)位置有關(guān)；Bm為最大磁通量；εm為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度。故有

ε∝LBmsin(ωt)∝L/x。

(4)

當(dāng)頻率、電感一定時(shí)，電感兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反比于距離x。距輸電線x距離P點(diǎn)的磁場(chǎng)分布如圖3b所示。依據(jù)傳感陣列各單元的檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建出輸電線路與傳感陣列間的相對(duì)位置關(guān)系(方位角α、俯仰角β、橫滾角γ)與距離參數(shù)(x)。

圖3 路徑選擇示意

3 總結(jié)

系統(tǒng)在ARM系列的STM32F104硬件平臺(tái)上搭建完成，并與八旋翼無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)進(jìn)行了集成，本系統(tǒng)以2次/s的刷新速度向無(wú)人機(jī)飛空系統(tǒng)提供姿態(tài)、距離信息，在無(wú)人機(jī)沿輸電線路巡航限定速度小于2次/s的情況下，針對(duì)220 kV輸電線路進(jìn)行了限制接近距離為7 m的測(cè)試飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)能夠保持水平距離在5.5～8.5 m，高度誤差在±1.2 m的范圍內(nèi)穩(wěn)定飛行，自動(dòng)飛行效果要優(yōu)于自穩(wěn)飛行，獲得了較滿意的效果。

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