基于电场测距的无人机电力巡线系统*

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(1.成都大学 信息科学与工程学院，成都 610106；2.浙江沸蓝通信工程监理有限公司)

引 言

输配电线路的正常运行是确保电力系统正常供电的基础保障，因此对高压输电线的定期巡检作业是非常必要的[1]。近年来，无人机在很多行业得到了广泛应用，在高压输电线路进行巡检作业中也逐渐采用无人机来进行巡检作业，这种方式具有环境适应能力强、无巡检盲区、成本低、效率高、能有效保障作业人员安全等特点[2]。但是由于高压输电线路所具有的强电场辐射会对电力巡线无人机的电子设备造成干扰，影响无人机电子设备的正常工作，导致无人机姿态失衡、定点悬停偏离与漂移、飞行脱离控制，严重时会造成无人机坠毁、撞击输电线路导致中断电力供电等事故的发生。

本论文所设计的电力巡线无人机测距系统，通过一种电场强度检测装置检测高压输电线路所辐射的电场强度，建立电场强度与距离之间的映射模型，从而测量无人机与高压输电线之间的距离。该系统对于引导无人机保持与高压输电线的安全距离，保障电路巡检作业安全、顺利进行具有非常重要的意义。

1 方案设计

本电力巡线无人机测距系统由机载模块、地面模块及上位机软件三个部分组成。机载模块完成检测无人机所处位置的电场强度和方向，并将电场强度和方向信息通过无线收发模块传给地面模块，地面模块将接收到的数据传递给PC机，PC机上运行上位机软件，将电场强度和距离信息在PC上位机界面上显示。当电场强度大于设定强度阀值或距离低于设定的距离阀值时，发出警报指示。

机载模块位于无人机上，包含电场测传感器、信号调理单元、数据处理单元和无线发送单元。电场传感器完成对电场强度和方向的检测，将电场强度信号转换为模拟电压信号，由于该信号比较微弱，因此，由信号调理单元进行放大、滤波、A/D转换，以便完成后续数据处理；数据处理单元是机载模块的控制和数据处理的核心，读取A/D转换器的数据并进行电场强度和方向的计算以及距离映射处理；无线发送单元将经处理后的数据发送到地面端。机载模块的组成框图如图1所示。

图1 机载模块的组成框图

1.1 电场传感器的设计

1.1.1 电场传感器测量原理

图2 平行板电容传感器测量原理

本系统所设计的电场传感器是电容式电场传感器。 处于交变电场中的电容器，在其表面会产生感应电荷，从而在电容器的两极板上形成电压差，该电压差的大小能够反映电场强度的大小[3]。

如图2所示， 平行板电容传感器CM放入电场后，电容极板表面电荷量与所处的电场强度E0(t)成正比：

Q(t)=KE0(t)

(1)

其中，K为比例系数，感应电荷Q(t)将在取样电容CM上产生一个微小的电压UM(t)：

UM(t)=Q(t)/CM

(2)

将式(1)代入式(2)可得:

UM(t)=KE0(t)/CM

(3)

由式(3)可知，通过检测电容传感器CM两极板的电压差UM(t)就可以得到电场强度E0(t)，这就是本系统中电容式传感器测量电场强度的原理。

1.1.2 电场传感器的设计

图3 电场传感器结构示意图

本系统采用在一个立方体装置的6个表面上放置电容极板(结构示意图如图3所示)，从而形成三个相互正交放置的电容器，用来测量x、y、z三个正交方向上的电场强度。立方体的边长为2.5 cm，采用FR4材料制成，厚度为1.6 mm，每个表面上的电容电极采用半径为1.5 cm的圆形敷铜，每个电容器的两个电极采用线径为0.4 mm带屏蔽的双绞线引出，三个电容器的引出线穿过一个直径为5 mm、长度为15 cm的硬质塑料管，塑料管一端与电场检测单元固定，另一端与机载模块电路板固定，三对电容器引出线的另一端焊接到机载模块电路板上，与信号调理电路连接。

1.1.3 电场传感器的校准

根据式(3)可以知道电容极板间的电压和电场强度成比例关系，对式(3)进行变形，可以得出下式：

(4)

Ux、Uy、Uz分别为电场传感器在x、y、z方向测得的电压，Ex、Ey、Ez分别为x、y、z方向的电场大小，λx、λy、λz分别为电场传感器在x、y、z方向在畸变的电场环境下的修正系数。

电场传感器的校准需要一个足够大的均匀电场，就要求产生均匀电场的装置满足以下条件：第一装置尺寸足够大，以保证当被校准的电场传感器放入其中时不改变装置中的均匀电场分布；第二电场均匀区域足够大；第三均匀电场不因装置附近的人员、物体存在而产生明显的畸变[4]。

图4 电场校准装置简单示意图

上述理想条件很难做到。本系统采用的是一个平行板电容校准装置，通过给平行板电容的两个极板施加高压电源来产生一个近似均匀的电场，其示意图如图4所示。

本校准准置的两个极板为边长60 cm的正方形金属板，极板间距为20 cm。极板高压电源由外接的升压变压器产生，它可以将工频220 V电压升压到2 kV，电压连续可调，采用中性点接地。两极板间产生的近似均匀电场场强值E等于U/d， U是所加的电位差，d是极板间距。根据以上参数，本装置最高可以产生有效值为10 kV/m的近似均匀电场，峰值可以达到14.14 kV/m，能够满足对本系统电场传感器进行校准的需求。

将电场传感器放入校准装置中，测试其在不同均匀电场下x、y、z方向产生的电压值，由于该电压信号比较小，需要进行放大，放大后的测量数据见表1。

表1 电场传感器各个方向在不同电场强度下的电压值

x、y、z方向测得的电压值利用式(4)来进行系数修正。例如x方向测得的电压和电场强度满足λx×UX=Ex，将不同场强下测得的数据进行拟合，可以得到如图5所示的拟合直线。在Matlab进行函数拟合，得到一个一阶的多项式函数，函数的斜率就是传感器在x方向的修正系数λx。

图5 x方向电场和电压修正关系图

图6 电场传感器实测值和理论值比较图

按照上述方法，根据y和z方向的测量分别进行拟合，得到修正系数λy和λz。

1.1.4 电场强度大小和方向的计算

在确定λx、λy、λz之后，可以利用下式计算电场传感器测得的合电场强度E测：

(5)

当电场传感器测量得到的合电场强度E测和电场校准装置此时的真实电场E标准满足式(6)时，就认为电场传感器的校准达到要求。

(6)

E测由式(5)计算得到，E标准直接由电场校准装置加载的电压决定，E标准=U/d，ε为系统要求达到的误差系数，它表征测量系统的准确率，一般小于5%。

将修正参数写入程序，再将传感器放入校准装置，测试在不同电压等级下电场探头测量到的电场强度实际值，并将理论值做了对比，如图6所示。从图中可以看出，两者非常接近。

合电场方向是由电场传感器在各个方向测得的电场强度大小确定的，它由水平偏转角α和竖直方向角β共同表示，计算公式分别见式(7)和式(8)：

(7)

(8)

1.2 信号调理电路设计

信号调理电路主要完成对电场传感器探头测得的x、y、z三个方向上的电场强度的微弱电压信号的放大和滤波。采用差动放大，2.5 V作为偏置电压。由于本电场检测系统是测量工频交流高压输电线路的电场强度，因此滤波电路滤除其他频率的干扰信号，只保留50 Hz的信号。放大和滤波电路如图7所示。经过放大和滤波的电压信号送入A/D转换器进行后续处理。x、y、z三个方向的测量信号需要三路对应的信号调理电路，图中显示的是x方向的信号调理电路，y和z方向的信号调理电路与之类似。

本方案采用ADI公司的AD7888来完成A/D转换功能，速率达3 MHz，拥有8通道输入的12位A/D转换器，输出接口为SPI接口，可以方便地与处理器连接。A/D转换电路如图8所示。

1.3 处理器及数据发送电路设计

处理器是本系统的控制和处理核心。针对无人机的应用需求，控制处理器采用功耗低、体积小且处理能力强大的STM32F106。主要完成以下功能：通过SPI接口定时读取经A/D转换后x、y、z三个方向电场强度数字信号；根据读取到的表征激光的数字信号按照目标定位算法计算无人机距离高压电线的距离和方位；根据读取到的表征电场的数字信号按照电场强度和方向计算算法确定探测到的合电场强度、方向，计算无人机距离高压输电线的距离；通过UART(异步串行通信)接口将读取到的数据发送到无线发送单元，然后将这些数据发送到地面无线接收模块；控制机载模块各部分

图7 放大和滤波电路

图8 A/D转换接口电路图

协调运作，完成相应功能。

1.4 软件设计

本系统的软件包含机载模块控制处理软件和PC上位机软件。

1.4.1 机载模块控制处理软件

机载模块的控制处理软件运行于机载模块的控制处理单元，完成对系统的运行管理、电场数据采集和计算，完成距离映射计算，控制处理软件流程图如图9所示。

图9 控制处理软件流程图

1.4.2 PC上位机软件设计

地面无线接收模块通过无线接收测量数据后，通过UART串行接口发送到PC机。在PC机上运行设计的上位机软件，上位机软件通过图形和文字界面分别显示场强大小和方向以及无人机与高压输电线路的距离，根据设定的报警阀值，给出报警状态指示。上位机软件流程图如图10所示。上位机显示界面如图11所示。

图10 上位机工作流程图

图11 上位机界面图

2 电场强度和距离映射模型建立

机载电场检测模块检测到无人机所处位置电场强度，还需要将对应的电场强度数据映射为距离数据，以便为无人机飞控系统或操作员提供预警信息。但是，处于高压输电线附近某位置的电场强度会受到多种因素的影响，例如天气条件、输电线路导线的排列方式、铁塔形状和安装位置、不同电压等级、输电线路的负载轻重等，因此不能用一个通用的函数模型来表示电场强度和距离之间的关系。

表2是本系统在500 kV、同塔双回路、导线垂直排列方式输电线路条件下，在输电线水平方向上不同距离时测得的输电线路的电场强度数值。

表2 输电线路水平方向电场和距离实际测试数据

按照表2的数据进行函数建模和函数拟合，拟合曲线如图12所示。拟合后的函数表达式为：

F(E)=-4.53×10-10E3+

5.494×10-6E2-0.02434E+50.89

(9)

图12 电场强度-距离关系模型拟合曲线

3 测试和结论

测试目的：验证本系统测量的电场数据是否能够随着无人机与高压线的距离变化而变化；当达到设定的预警阀值时，是否能够给出报警指示。

测试地点：XX市天府新区500 kV山桃一线(左)008号铁塔。

线路参数：铁塔为同塔双回路铁塔，导线排列方式为垂直排列。

天气条件：阴天，东南风向，风速较小，温度为21 ℃。

测试方法：地面遥控操作无人机沿高压输电线路飞行，在高压输电线水平方向的不同位置悬停，观测地面上位机界面上显示出的电场强度数值和报警指示状态信息。

现场记录数据如表3所列。

表3 现场测试数据

根据以上数据，进行对比分析，得到的结论如图13所示。

图13 机载电场检测系统理论值和实际值对比图

结 语