基于电磁传感阵列的输电线路探测与跟踪方法

吴国松，倪宏，赵海丽，陈京

(国网河南省电力公司许昌供电公司，河南 许昌 461000)

0 引言

目前，取代人工巡线的主要方法是采用无人机巡检作业，包括遥控巡检飞行和自主避障跟踪巡检飞行2种作业方式，无人机在线路巡视中需要解决的主要问题是[1-2]，具体飞行任务、起降位置坐标、续航时间有限、应对突发特请、姿态与高度监控、路径选择、超限返航等[3-4]。关于姿态调整问题和返航问题目前已经有比较成熟的解决方案，主要问题在于线路识别与线路选取。巡检作业要求飞行器与输电线路保持合理的距离和相对位置，方便、可靠的线路跟踪、避障技术等，所以，设计提供一种由无人飞行器搭载的，能够自动识别输电线路空间位置，进而为飞行器提供导航、跟踪、控制信号的空中跟踪传感装置，以实现飞行器的避障、自动跟踪巡线飞行功能，具有非常广阔的市场前景[5-6]。

1 系统总体架构与控制策略

系统由被动式阵列磁感应天线装置、阵列扫描与采集控制电路、姿态与距离数据处理器3部分组成，被动式阵列磁感应天线装置与后续控制、信息处理环节的关系如图1所示。

图1 检测与跟踪方法原理框图

基于距离输电线路越近，磁场强度越大的基本原理[7-8]，被动式阵列磁感应天线装置采用由螺旋管电感线圈组成n×m矩阵型电磁场传感阵列，作为输电线路沿线空间磁场感知装置，根据输电线路空间敷设走向(通常是平行于地面)，传感阵列平面与输电线保持平行且垂直于地面，该位置状态由飞行器的姿态控制系统实现。依据输电线路的特定电压等级以及飞行器的空间坐标(飞行器自带卫星定位接收机)，实时感知输电线的存在与否，感知飞行器相对输电线的距离信息和位置角度信息，为后续信号处理电路提供判别依据。阵列扫描与采集控制电路按照一定方式控制n×m矩阵型电磁场传感阵列，可逐点扫描、逐行扫描、逐列扫描等，实现快速扫描驱动和信号采集，并将信息传输给后面的姿态与数据处理器。姿态与距离数据处理器按照特别设计的快速数据处理算法，通过数字滤波、曲线拟合算法处理，解算出姿态参数、距离参数并实时传送至机载飞空系统，用于调整飞行器的飞行轨迹，实现对输电线路的自动跟踪与避障飞行。

高压输电线路通常沿与地面平行方向架空敷设，依据电压等级不同，线路与地面的距离是固定的某确定值(斜坡、丘陵地带也是如此)。传感阵列组件与阵列扫描与采集控制器之间还包含有稳压电路、谐振采样电路、滤波调理电路、高速模数转换电路等，系统控制电路原理如图2所示。

2 输电线路探测与巡线方法

被动式阵列磁感应天线采用10×10阵列，阵列扫描与采集和姿态与距离数据处理分别由2个处理器承担，扫描与采集处理器进行本周期扫描与采集控制的同时，数据处理器进行上一周期的数据处理，以提高系统的响应速度，实现满足飞行器飞控要求的实时信息输出。针对输电线路50 Hz交流电产生的磁场，将电感线圈感应产生的50 Hz电压信号进行4倍频处理，由高速模数转换器进行高速转换、存储并提取幅值参数，理论计算完成100个单元的驱动与采集不超过500 ms，包括数据解算处理耗时在内可实现每秒2次输出数据的刷新，完全满足巡线无人机对线路或设备跟踪和避障的飞控要求。

图2 系统控制原理

每个扫描采样周期所采集存储的数据组，在本周期的最后阶段通过高速串口传输给姿态与距离数据处理器，处理器根据本周期的数据按照设计算法解算出方位、俯仰、横滚、距离等参数，并实时传输给机载飞控系统。

如图3a所示，距输电线x距离P点的磁场分布由下式确定

(1)

对于无限长输电线有

(2)

式中：B为磁感应强度；μ0为真空磁导率；I为电流；Im为电流最大值；ω为角速度；t为时间。

P点处电感为L的线圈产生的感应电动势

ε=NSB=NSBmcosθsin(ωt)=

εmcosθsin(ωt) ，

(3)

式中：N为线圈匝数；S为线圈横截面积，与线圈自感L有关；θ是磁感应强度B矢量方向与线圈轴线的夹角，且与线圈在磁场中的姿态位置有关；Bm为最大磁通量；εm为最大磁感应强度。故有

ε∝LBmsin(ωt)∝L/x。

(4)

当频率、电感一定时，电感两端产生的感应电动势反比于距离x。距输电线x距离P点的磁场分布如图3b所示。依据传感阵列各单元的检测数据，可以构建出输电线路与传感阵列间的相对位置关系(方位角α、俯仰角β、横滚角γ)与距离参数(x)。

图3 路径选择示意

3 总结

系统在ARM系列的STM32F104硬件平台上搭建完成，并与八旋翼无人机飞控系统进行了集成，本系统以2次/s的刷新速度向无人机飞空系统提供姿态、距离信息，在无人机沿输电线路巡航限定速度小于2次/s的情况下，针对220 kV输电线路进行了限制接近距离为7 m的测试飞行试验。试验结果表明，无人机能够保持水平距离在5.5～8.5 m，高度误差在±1.2 m的范围内稳定飞行，自动飞行效果要优于自稳飞行，获得了较满意的效果。

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