电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统，它能够实现无人机巡线系统的自主避障功能，提升巡线作业的可靠性。它包括测距传感器、电磁场检测传感器和视觉传感器，其中测距传感器和电磁场检测传感器均与信号预处理模块连接，视觉传感器与视觉信号处理模块连接，信号预处理模块和视觉信号处理模块通过通讯端口与紧急避障模块连接，紧急避障模块与无人机动力装置连接。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于电力巡线无人直升机系统的机载信号采集和超低空飞行障碍规避技术，特别是一种电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统。
技术介绍
近年来，我国国民经济的持续快速发展对我国电力工业提出了越来越高的要求。 我国目前已形成华北、东北、华东、华中、西北和南方电网共6个跨省区电网，截至2008年 110千伏以上输电线路已达到近51. 4万公里。500千伏线路已成为各大电力系统的骨架和跨省、跨地区的联络线，电网发展滞后的矛盾基本得到缓解。由于我国国土辽阔，地形复杂， 平原少、丘陵及山区较多，气象条件复杂，瓷绝缘子质量不够稳定等，因此为了安全和可靠地供电，巡线维护自动化和现代化已日益显示出其迫切性。采用无人机空中作业进行电力巡线，能够克服利用有人驾驶的直升机进行巡线的维护费用昂贵、安全问题突出等弊端，但无人机巡线过程中，难免会遇到交跨线、树木、建筑物等障碍物，无人机巡线系统虽然具有3D程控飞行的技术，但是仍然欠缺应对预期外障碍物的紧急避让机制；无人机是通过GPS方式进行导航的，由于GPS存在误差，所以无人机在执行任务的过程中可能会出现偏离预定航向的情况，造成无人机与输电线路或其他障碍物的发生碰撞；在经过交跨线时，如果无人机的飞行高度不够，同样存在与线路发生碰撞的危险。因此，为了保障无人机巡线系统及输电线路的安全，提升巡线作业的可靠性，有必要开发一套无人机避障子系统，实现无人机巡线系统的自主避障功能。超声波测距、红外测距、激光测距和微波雷达测距是目前比较常用的测距方式，通过对其测距原理的了解，红外测距的范围有限，而激光测距抗干扰能力较弱，超声波方式虽然实现简单、抗干扰能力较强，但是具有一次测量距离较短的缺陷，均不适用于无人机避障子系统。微波雷达方式除具备超声波方式抗干扰能力强、指向性强等特点外，还可以进行远距离的精确测距，其测量距离可达数百米，测量精度可达到厘米级，适用于开发无人机主避障子系统。此外，根据电力巡线无人机巡查目标-输电线路的特殊性，设计了根据电磁场强度的探测来判断与输电线路距离这一具有针对性、独特性、创造性的测距方法。此方法的特性是距离输电线路越近，测距精度越高，可达厘米甚至毫米级别，尤其适用于电力巡线无人机在对输电线路巡查时对输电线路的规避。雷达测距传感器是依据调频连续波原理(FMCW Frequency ModulatedContinous Wave)为基础的雷达物位计，它区别于脉冲式雷达，并因其探测近距离优越的性能而广泛应用于汽车防撞及工业物位领域。物位测量精度不受介质介电常数、浓度(密度)、压力和温度的影响，物位测量精度不受雾，泡沫、粉尘、蒸汽以及容器形状影响。高精度电磁场检测传感器/系统可根据各种磁传感器的工作范围和使用条件不同，选择几种进行组合使用，以达到输电线路周围磁场检测精度和稳定性的要求，以及无人机对于所搭载设备的重量、抗震、抗干扰等多方面的要求。
技术实现思路
本技术的目的就是为了保障无人机巡线系统及输电线路的安全，而提供的一套电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统，它能够实现无人机巡线系统的自主避障功能，提升巡线作业的可靠性。为实现上述目的，本技术采用如下技术方案一种电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统，它包括测距传感器、电磁场检测传感器和视觉传感器，其中测距传感器和电磁场检测传感器均与信号预处理模块连接，视觉传感器与视觉信号处理模块连接，信号预处理模块和视觉信号处理模块通过通讯端口与紧急避障模块连接，紧急避障模块与无人机动力装置连接。所述视觉传感器是安装在无人机机身上的多个摄像头。本技术的无人机避障子系统由机载的信号采集模块和机载飞控的紧急避障模块组成。机载的高精度电磁场检测传感器、高性能测距传感器与飞控紧急避让模块可实现主动避让方式；视觉传感器与后台的分析识别模块可实现辅助判断避让方式。输电导线周围的电磁场根据麦克斯韦电磁场理论，会在周围产生一定强度的电磁场。我国的输电频率为50HZ，产生的电磁波属于极低频(工频)电磁波，波长超过6000km。 输电导线周围的电场和磁场按照一定规律分布。通过机载电磁场检测传感器的探头检测无人机所处电磁场的强度和方向可以反过来获得无人机距离输电导线的距离，能够判断无人机是否存在安全隐患。由于无人机在进行输电线路巡检时与线路需要保持一定的安全距离，在此距离上电磁场强度已大大减弱，且无人机尺寸远远小于工频电磁波的波长，电磁场辐射能量很小，能够检测到电磁波的能量非常小，因此在使用电磁测距时，需要使用高精度检测设备。通过将不同电压等级的输电导线周围磁场的变化做仿真计算，其计算分析可精确到厘米级，由此可获取导线周围的磁场分布，从而可通过预处理检测到的磁场强度，即与仿真结果对比，可进行位置检测和判断，在检测到与输电导线距离小于某定值时，可强制改变飞行方向，以避免无人机与输电导线的碰撞，避免事故发生。测距传感器信号先经过预处理模块，将模拟信号转换为数字信号，并将周围的环境信息封装为通讯报文或其他形式，经通讯端口，将数据提供给飞控的紧急避障模块。飞控的紧急避障模块负责对环境信息进行分析计算，并判断是否要进行避障行为，同时计算出合理的避让路线，随后将控制信号发送给无人机的动力子系统，实现避让动作。视觉传感器是由安装在无人机机身上的多个摄像头构成的，各个摄像头可分别成像，并将视频信号发送给视觉处理模块。视觉处理模块根据各个摄像头的多角度成像信号， 利用信息融合技术，可计算出图像中的物体距机体的距离，从而为避障决策提供判断依据。本技术的飞控子系统必须具备紧急避障处理的功能，与信号采集模块配合， 实现实时避障功能。另外，飞控紧急避障机制还需具备路径规划功能，能够通过某种算法计算环境数据，规划合理的避障路径。该功能具有较高的实时性。本技术的有益效果是1.具有较高的测距精度和距离，在30-100米的范围内能感知厘米级别的障碍物或设备，电磁场测量仪器应至少能够测量0-10-2T范围内的磁场强度，且分别率应在10-6T 以上。2.具有较小的体积和重量。由于无人机的载荷有限，必须选择重量轻、体积小的产品。3.具有较低的功耗。4.具有较高的可靠性。由于是在特殊的条件下工作，又是整个无人机避障系统的重要组成部分，因此需要具备高可靠性的特点，抗震性强。5.具有较高实时性。通过对环境数据的分析，极短时间内可决定是否发动避障动作，并能够进行路径规划。附图说明图1为本技术的结构图。具体实施方式以下结合附图与实施例对本技术做进一步说明。图1为电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统框架图。它包括测距传感器1、电磁场检测传感器2和视觉传感器3，其中测距传感器1和电磁场检测传感器2均与信号预处理模块4连接，视觉传感器3与视觉信号处理模块5连接，信号预处理模块4和视觉信号处理模块5通过通讯端口 6与紧急避障模块7连接，紧急避障模块7与无人机动力装置8连接。所述视觉传感器3是安装在无人机机身上的多个摄像头。本技术通过高精度电磁场检测传感器、高性能测距传感器、视觉传感器采集电力巡线无人直升机工作环境的信号并对信号进行预处理，进而通过通讯端口将环境数据传递给飞控紧急避障模块进行数据的分析、决策，实现主动避让方式；同时视觉传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统，其特征是，它包括测距传感器、电磁场检测传感器和视觉传感器，其中测距传感器和电磁场检测传感器均与信号预处理模块连接，视觉传感器与视觉信号处理模块连接，信号预处理模块和视觉信号处理模块通过通讯端口与紧急避障模块连接，紧急避障模块与无人机动力装置连接。

【技术特征摘要】
1.一种电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统，其特征是，它包括测距传感器、电磁场检测传感器和视觉传感器，其中测距传感器和电磁场检测传感器均与信号预处理模块连接，视觉传感器与视觉信号处理模块连接，信号预处理模...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑天茹，王滨海，刘俍，王骞，张晶晶，陈西广，张海龙，
申请(专利权)人：山东电力研究院，
类型：实用新型
国别省市：88