[发明专利]基于输电线路电磁感知的巡线无人机飞行轨迹控制方法

权利要求书

1.一种基于输电线路电磁感知的巡线无人机飞行轨迹控制方法，其特征在于，将用于测量输电线路周围空间电磁信号的电磁传感量测装置搭载在巡线无人机上，该无人机内部设有各类姿态信息传感器，根据无人机飞行速度及控制精度设置多个定位点，相邻定位点之间设置N个采样点；将无人机预期的飞行轨迹在各定位点的位置信息作为初始位置信息数据，相邻两定位点间该方法具体包括以下步骤：

1)获取输电线路周围的空间电磁信号及无人机实时姿态信息：随着巡线无人机沿输电线路飞行，通过电磁传感量测装置获取无人机所在相邻两定位点间所有采样点处输电线路周围的空间电磁信号，整条输电线路，电磁传感量测装置所采集的各采样点的空间电磁信号均为同一种类；通过各类姿态信息传感器获取无人机所在相邻两定位点的无人机实时姿态信息；

所述输电线路周围的空间电磁信号包括输电线路流过电流产生的磁场信号、输电线路上高电压产生的周围电场信号以及输电线路周围的电磁环境信号之中任一种，其中电磁环境信号包括可听噪声信号或无线电干扰信号；

2)计算输电线路与无人机的实时相对位置信息：利用输电线路周围空间电磁信号强度与输电线路距离具有显著相关性的特性，以及采用步骤1)获取到的所有采样点的空间电磁信号数据，通过反演算法计算输电线路的特性参数，得到输电线路与无人机的实时相对位置信息；

3)基于输电线路与无人机的实时相对位置信息对巡线无人机飞行轨迹进行控制：将步骤2)确定的输电线路与无人机的实时相对位置信息与无人机初始位置信息数据的偏差，通过外环的位置控制算法计算得到无人机期望姿态信息；该期望姿态信息与经过滤波处理的无人机当前姿态信息的偏差通过内环姿态控制算法计算后反馈给无人机动力系统，调整无人机姿态，实现无人机的飞行轨迹的控制；

所述输电线路周围的空间电磁信号为磁场信号，步骤2)中通过反演算法计算输电线路的特性参数具体包括以下步骤：

将无人机当前所在两相邻定位点间的输电线路简化为无限长直导线，采用站心地平直角坐标系OXYZ，该坐标系原点为选定测站，无人机GPS坐标系为大地坐标系，设导线m位于高度为h₂的平行于水平面的平面S内、导线m在平面S内的方程为aX+bY+c＝0、导线m上的直流电流为I；设当前磁场强度的采样点为A₁，过采样点作平面S的垂线交平面S于点W₁；过点W₁作导线的垂线交导线于点C₁；设采样点A₁的坐标为(X_r1,Y_r1,Z_r1)，则W₁点的坐标为(X_r1,Y_r1,h₂)；由导线位置方程解得C₁点的坐标为由此得到采样点至输电线路的法向向量

对于流过直流电流I的无限长直导线，根据该导线的电流I和由采样点与输电线路的实时相对位置关系(a,b,c)确定的通过仿真分析计算采样点的磁场强度仿真值H；

记各采样点的磁场强度实际测量值为H′_i，i＝1,…,N，共计N组，每组测量值均包含X,Y,Z三个方向的数据，使所有采样点各方向的磁场强度仿真值与实际测量值的差的范数之和取得最小值时的该组a,b,c,I的值作为反演算法的结果，即为输电线路的特性参数，由该组中的a,b,c即可确定输电线路与无人机的相对位置，将反演问题简化为如下公式：

其中，H_a,b,c,I,i,j表示在某一组确定的a,b,c,I下，通过仿真分析得到的第i个采样点在j方向上的磁场强度仿真值；H′_i,j表示第i个采样点在j方向上的磁场强度实际测量大小；

或者所述输电线路周围的空间电磁信号为电场信号，所述步骤2)中通过反演算法计算输电线路的特性参数具体包括以下步骤：

将无人机当前所在两相邻定位点间的输电线路简化为单相无限长直导线，采用站心地平直角坐标系OXYZ，该坐标系原点为选定测站，无人机GPS坐标系为大地坐标系，设导线m位于高度为h₂的平行于水平面的平面S内、导线m在平面S内的方程为aX+bY+c＝0、导线m上的电位为U；设当前电场信号的采样点为A₂，过采样点作平面S的垂线交平面S于点W₂；过点W₂作导线的垂线交导线于点C₂；设采样点A₂的坐标为(X_r2,Y_r2,Z_r2)，则点W₂的坐标为(X_r2,Y_r2,h₂)；由导线位置方程解得C₂点的坐标为由此得到采样点至输电线路的法向向量对于电位为U的单相无限长直导线，根据该导线上的电位U和由采样点与输电线路的实时相对位置关系(a,b,c)确定的通过仿真分析计算采样点的电场强度仿真值E；

记各采样点的电场强度实际测量值为E′_i，i＝1,…,N，共计N组，每组测量值均包含X,Y,Z三个方向的数据，使所有采样点各方向的电场强度仿真值与实际测量值的差的范数之和取得最小值时的该组a,b,c,U的值作为反演算法的结果，即为输电线路的特性参数，由该组中的a,b,c即可确定输电线路与无人机的相对位置，将反演问题简化为如下公式：

其中，E_a,b,c,U,i,j表示某一组确定的a,b,c,U下，通过仿真分析得到的第i个采样点在j方向上的电场强度仿真值；E′_i,j表示第i个采样点在j方向上的电场强度实际测量大小。