[發(fā)明專利]基于輸電線路電磁感知的巡線無人機(jī)飛行軌跡控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710564330.7
• 申請(qǐng)日: 2017-07-12
• 公開（公告）號(hào): CN107515621B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡軍;歐陽勇;王博;張波;何金良;王善祥;趙根;吳陽;王中旭;莊池杰;余占清;曾嶸
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/12
• 分類號(hào): G05D1/12;G05D1/00;G05B17/02
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

1.一種基于輸電線路電磁感知的巡線無人機(jī)飛行軌跡控制方法，其特征在于，將用于測(cè)量輸電線路周圍空間電磁信號(hào)的電磁傳感量測(cè)裝置搭載在巡線無人機(jī)上，該無人機(jī)內(nèi)部設(shè)有各類姿態(tài)信息傳感器，根據(jù)無人機(jī)飛行速度及控制精度設(shè)置多個(gè)定位點(diǎn)，相鄰定位點(diǎn)之間設(shè)置N個(gè)采樣點(diǎn)；將無人機(jī)預(yù)期的飛行軌跡在各定位點(diǎn)的位置信息作為初始位置信息數(shù)據(jù)，相鄰兩定位點(diǎn)間該方法具體包括以下步驟：

1)獲取輸電線路周圍的空間電磁信號(hào)及無人機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)信息：隨著巡線無人機(jī)沿輸電線路飛行，通過電磁傳感量測(cè)裝置獲取無人機(jī)所在相鄰兩定位點(diǎn)間所有采樣點(diǎn)處輸電線路周圍的空間電磁信號(hào)，整條輸電線路，電磁傳感量測(cè)裝置所采集的各采樣點(diǎn)的空間電磁信號(hào)均為同一種類；通過各類姿態(tài)信息傳感器獲取無人機(jī)所在相鄰兩定位點(diǎn)的無人機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)信息；

所述輸電線路周圍的空間電磁信號(hào)包括輸電線路流過電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)、輸電線路上高電壓產(chǎn)生的周圍電場(chǎng)信號(hào)以及輸電線路周圍的電磁環(huán)境信號(hào)之中任一種，其中電磁環(huán)境信號(hào)包括可聽噪聲信號(hào)或無線電干擾信號(hào)；

2)計(jì)算輸電線路與無人機(jī)的實(shí)時(shí)相對(duì)位置信息：利用輸電線路周圍空間電磁信號(hào)強(qiáng)度與輸電線路距離具有顯著相關(guān)性的特性，以及采用步驟1)獲取到的所有采樣點(diǎn)的空間電磁信號(hào)數(shù)據(jù)，通過反演算法計(jì)算輸電線路的特性參數(shù)，得到輸電線路與無人機(jī)的實(shí)時(shí)相對(duì)位置信息；

3)基于輸電線路與無人機(jī)的實(shí)時(shí)相對(duì)位置信息對(duì)巡線無人機(jī)飛行軌跡進(jìn)行控制：將步驟2)確定的輸電線路與無人機(jī)的實(shí)時(shí)相對(duì)位置信息與無人機(jī)初始位置信息數(shù)據(jù)的偏差，通過外環(huán)的位置控制算法計(jì)算得到無人機(jī)期望姿態(tài)信息；該期望姿態(tài)信息與經(jīng)過濾波處理的無人機(jī)當(dāng)前姿態(tài)信息的偏差通過內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制算法計(jì)算后反饋給無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，調(diào)整無人機(jī)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的飛行軌跡的控制；

所述輸電線路周圍的空間電磁信號(hào)為磁場(chǎng)信號(hào)，步驟2)中通過反演算法計(jì)算輸電線路的特性參數(shù)具體包括以下步驟：

將無人機(jī)當(dāng)前所在兩相鄰定位點(diǎn)間的輸電線路簡化為無限長直導(dǎo)線，采用站心地平直角坐標(biāo)系OXYZ，該坐標(biāo)系原點(diǎn)為選定測(cè)站，無人機(jī)GPS坐標(biāo)系為大地坐標(biāo)系，設(shè)導(dǎo)線m位于高度為h₂的平行于水平面的平面S內(nèi)、導(dǎo)線m在平面S內(nèi)的方程為aX+bY+c＝0、導(dǎo)線m上的直流電流為I；設(shè)當(dāng)前磁場(chǎng)強(qiáng)度的采樣點(diǎn)為A₁，過采樣點(diǎn)作平面S的垂線交平面S于點(diǎn)W₁；過點(diǎn)W₁作導(dǎo)線的垂線交導(dǎo)線于點(diǎn)C₁；設(shè)采樣點(diǎn)A₁的坐標(biāo)為(X_r1,Y_r1,Z_r1)，則W₁點(diǎn)的坐標(biāo)為(X_r1,Y_r1,h₂)；由導(dǎo)線位置方程解得C₁點(diǎn)的坐標(biāo)為由此得到采樣點(diǎn)至輸電線路的法向向量

對(duì)于流過直流電流I的無限長直導(dǎo)線，根據(jù)該導(dǎo)線的電流I和由采樣點(diǎn)與輸電線路的實(shí)時(shí)相對(duì)位置關(guān)系(a,b,c)確定的通過仿真分析計(jì)算采樣點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真值H；

記各采樣點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)際測(cè)量值為H′_i，i＝1,…,N，共計(jì)N組，每組測(cè)量值均包含X,Y,Z三個(gè)方向的數(shù)據(jù)，使所有采樣點(diǎn)各方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真值與實(shí)際測(cè)量值的差的范數(shù)之和取得最小值時(shí)的該組a,b,c,I的值作為反演算法的結(jié)果，即為輸電線路的特性參數(shù)，由該組中的a,b,c即可確定輸電線路與無人機(jī)的相對(duì)位置，將反演問題簡化為如下公式：

其中，H_a,b,c,I,i,j表示在某一組確定的a,b,c,I下，通過仿真分析得到的第i個(gè)采樣點(diǎn)在j方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真值；H′_i,j表示第i個(gè)采樣點(diǎn)在j方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)際測(cè)量大小；

或者所述輸電線路周圍的空間電磁信號(hào)為電場(chǎng)信號(hào)，所述步驟2)中通過反演算法計(jì)算輸電線路的特性參數(shù)具體包括以下步驟：

將無人機(jī)當(dāng)前所在兩相鄰定位點(diǎn)間的輸電線路簡化為單相無限長直導(dǎo)線，采用站心地平直角坐標(biāo)系OXYZ，該坐標(biāo)系原點(diǎn)為選定測(cè)站，無人機(jī)GPS坐標(biāo)系為大地坐標(biāo)系，設(shè)導(dǎo)線m位于高度為h₂的平行于水平面的平面S內(nèi)、導(dǎo)線m在平面S內(nèi)的方程為aX+bY+c＝0、導(dǎo)線m上的電位為U；設(shè)當(dāng)前電場(chǎng)信號(hào)的采樣點(diǎn)為A₂，過采樣點(diǎn)作平面S的垂線交平面S于點(diǎn)W₂；過點(diǎn)W₂作導(dǎo)線的垂線交導(dǎo)線于點(diǎn)C₂；設(shè)采樣點(diǎn)A₂的坐標(biāo)為(X_r2,Y_r2,Z_r2)，則點(diǎn)W₂的坐標(biāo)為(X_r2,Y_r2,h₂)；由導(dǎo)線位置方程解得C₂點(diǎn)的坐標(biāo)為由此得到采樣點(diǎn)至輸電線路的法向向量對(duì)于電位為U的單相無限長直導(dǎo)線，根據(jù)該導(dǎo)線上的電位U和由采樣點(diǎn)與輸電線路的實(shí)時(shí)相對(duì)位置關(guān)系(a,b,c)確定的通過仿真分析計(jì)算采樣點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真值E；

記各采樣點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)際測(cè)量值為E′_i，i＝1,…,N，共計(jì)N組，每組測(cè)量值均包含X,Y,Z三個(gè)方向的數(shù)據(jù)，使所有采樣點(diǎn)各方向的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真值與實(shí)際測(cè)量值的差的范數(shù)之和取得最小值時(shí)的該組a,b,c,U的值作為反演算法的結(jié)果，即為輸電線路的特性參數(shù)，由該組中的a,b,c即可確定輸電線路與無人機(jī)的相對(duì)位置，將反演問題簡化為如下公式：

其中，E_a,b,c,U,i,j表示某一組確定的a,b,c,U下，通過仿真分析得到的第i個(gè)采樣點(diǎn)在j方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真值；E′_i,j表示第i個(gè)采樣點(diǎn)在j方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)際測(cè)量大小。