输电线路巡检无人机飞控系统抗干扰关键技术

Vol. 41 Nn.6Dec. 2012Heilongjiang Electric PowerDOI： 12.12625/j. cnki. hljec-2019.06.001输电线路巡检无人机飞控系统抗干扰关键技术艾红卫2张忠宜2(1.哈尔滨电力职业技术学院，哈尔滨12/030； 0.国网黑龙江省电力有限公司七台河供电公司，黑龙江 七台河，154600)摘要:在电力巡线过程中，电路系统作为整个系统的核心需要有良好的电磁兼容性，确保无人机安全作业。飞控系统作为

控制核心，必须保证其在复杂的电磁环境、带电作业情况下的正常工作，对于其电机驱动部分需要做适当的电磁兼容设计。

针对系统内电磁环境，设计了完善的屏蔽体防止外部辐射进入系统，也可防止系统的干扰能量向外辐射;针对系统外电磁环 境,无人机飞控系统采用地磁传感器获得飞机航向角，同时飞控系统按照EMC设计。通过540 kV空气电场预防性试验验证

相关设计，结果表明，良好的电磁兼容设计能够提高无人机在复杂电磁环境下巡线作业的可靠性。关键词:电磁环境;飞控系统;空气电场;巡线作业;距离识别中图分类号：TM755

文献标志码：A

文章编号：2095 -6843(2019)06 -0471 -04Anti -interference key technology of unmanned aerial vehicle flight control

system during powro tronsmission linn inspectionAl Hongwei1，ZHANG Zhongyi2(1. Harbin Power Vocational and Technical CoOege, Harbin 15/030, Chinn;0. Sriri Gril Heilongjiang Electric Power Co., Ltri. Qiriile Electric Power Supply Company，QitaiCe 15460, China)Abstroci: 1n trie process of power transmission 0ge inspection，as trie corr of trie whole system，trie circail system

necls yood electromaygetic compatiOilitri to enspro trie safe oneration of piimaimecl nridl yehicle. At trie contal core， trie fliggt controO system must espa its norrmtl oneration c trie complee electromaynettc working congitiogs. Teereforo，dppapbdte electromaagettc compatiOilitri desiyg is motor. Sg view of trie electromaagettc

ang live

for trie driving part of triein trie system，a perfect sPielO is .品刃^ to poegt trie extemalraniation from trie system ang trie °l trie system from raniating out. For trie electromaagettcvenicle uses ynmdygnic smsor toenvironment ontsine trie system， trie fliggt controO system of pnmangen

ontain trie airertt eeaning drigle, ang trie fliggt controo system is enivtn accoreing to EMC. Tee relevvgt eesiyg is vrifice by trie prevectivv testt of 5/0 kV dO fieli. TFiv resultt show triat goon electromayneVc compatiOilitri eesivn cag

improve trie relianilitri of unmangeV gekal veViclv in trie complee electromaygetic evvironmevt.Key Worfs: electromaggetfc evvironmevt; tiggt controC system; pf OCO ; lige mspection oneration;distanco inevtification自人类的活动，包括由无线电发射机有意产生的各

0引言巡线无人机系统外部电磁环境可分为两大类:

种电磁场以及这些发射机和其他技术设备产生的 附加电磁场。电磁环境产生的有害影响有两个基

自然电磁环境和人为电磁环境。自然电磁环境起 源于地球和宇宙的自然过程;而人为电磁环境则来收稿日期:2019 -12 -36。基金项目：国家电网黑龙江省公司科学技术项目：基于ARM的高寒

地区输电线路监测系统研究与应用（项目编号:SGTYHT/ r7-JS-129）作者简介:艾红卫（268—），男，硕士研究生，副教授,主要研究方向

为电力系统及自动化。本途径:一个是预期的能量通过预定的通路（天线,

传输线）进入到使用电磁能量的系统、设备或电路 中;另一个是非预期的能量进入与响应。一般而

言，由大气噪声、宇宙辐射等构成的自然电磁环境 比人为电磁环境干扰相对小很多，但对于由近处雷

电和静电产生的电磁环境，则无一例外地会对各类 巡线无人机构成威胁。另外，由雷电、静电、太阳黑

-472 -黑龙江电力第41卷子活动以及强电磁脉冲引发的电磁环境非常恶劣，

强度远比目前强制执行的相关标准所规定的要高

生近场感应的问题。另外，地面辐射和空中辐射电

磁环境，因其产生机理和作用过程相同，可以视为

电磁

得多，因而它对巡线无人机的威胁往往是致命的。

由于无人机需要在高压线缆附近进行巡线操作，高 压线产生的电磁场会对无人机上的电子设备产生

行研究01飞控系统电路的电磁兼容设计干扰，需要通过试验验证高压线缆对无人机的 影响「7。系统外电磁环境对巡线无人机产生的影响不 仅取决于外界电磁环境的强弱，而且与巡线无人机

电力巡检无人机具有在三维空间中的机动能 力，这使得它们能够进入人类很难到达的环境中完

成许多危险的任务。对于监视、侦查、救援等任务, 电力巡检无人机必须能够不依赖预存的地图或者

的结构、系统布局以及工作方式有着密切的关 系[3]0具体而言，对于外蒙皮全部采用金属材料 （或导电材料）的巡线无人机，因其金属机身所具有

的屏蔽特性，使得机载设备可以免受外界电磁环境 的影响,并且机体表面也可避免静电的积累，在这

种情况下，研究其基于电磁环境效应的共性特征,

就主要表现在巡线无人机上存在的各天线端口以

及蒙皮可能存在的口盖、缝隙等耦合所引起的环境

效应；而对于机体蒙皮全部采用（或部分采用）透波

复合材料的情况，由于机身的无遮挡性使巡线无人

机内部完全暴露在外界电磁波的照身之下,从而使 得巡线无人机电磁环境效应研究的内容基本上与

系统内情况相同,只是电磁环境不同。电磁环境是一个可以用空间、时间、频率、极 化、幅度和调制等特性描述的客观存在的区域，它

具有重叠性，并常随时间、空间位置的变化而变化。

巡线无人机系统的预期电磁环境就是一种由各类

电磁环境所构成的组合电磁环境，它具有十分明显 的动态性特征,针对不同时段、不同研究空间、不同

研究对象，可能表现出较大的变化,而且这种电磁 环境随巡线无人机结构特点、性能、工作方式等因 素的不同而产生不同的作用⑷。由此可见,具体对

象的电磁环境效应分析,应从时间、空间、频率和幅

度等方面进行，有时还应考虑极化和调制等特性。纵观巡线无人机系统的预期电磁环境,可以看

出：系统内电磁环境是巡线无人机电磁环境的基

础;而在系统外电磁环境中，雷电和静电电磁效应

是自然电磁环境的主体;地面通信基站、广播电台

电磁辐射对巡线无人机具有较大的威胁，而对高空

飞行无人机的影响较小；对于空中电磁辐射，视其 与巡线无人机的相对位置而决定其威胁的强弱⑸0从电磁环境对巡线无人机系统影响的角度看,

对于系统内电磁环境中的共位电磁环境，如果巡线

无人机系统与其辅助设备间没有电路或结构上的 联系，在具体分析时可以将其作为系统外电磁环境 处理，只是应注意因与研究对象相距较近而可能产对环境的具体假设进行导航。为解决电力巡检无

人机飞控系统电路的电磁兼容问题，设计了电磁兼

容算法，并通过实验验证了算法的有效性。飞控系统电路的电磁兼容设计主要为电路板 布局与布线设计、抗高频信号干扰设计、接地设计 以及强电保护设计⑷。电子元器件在电路板上的

布局涉及到相邻器件之间的相互耦合，合理设计电 路板的布局可以减少无用信号的耦合，首先按照电

压、电 的 与 （ 、件、高频器件和低频器件）进行分组，在电路板上按

高频、中频及 频电路 行 区布 。 其 在

器件布置方面要充分考虑噪声干扰和电磁干扰问

题,原则是各部件之间的引线要尽量短，减少寄生 的 布 。 要

号 、 号分与噪声源（时钟发生器、晶振）部分合理分开。另 外，在电路板的设计中布线也是非常重要的一环,

板上的印制线布置除了要符合“3 -W”原则和“45

度角路径”原则外，还应合理布置过孔，通过过孔将

芯片的引线拉伸出来，使电路板的布线更加均匀美 观，同时应加粗电源线，满足电路电流供应。选择

适当的接地方式能有效解决电磁干扰问题，本系统

的高频信号电路采用多点接地，低频信号电路采用

单点接地，并对电路板进行以网格铜的覆铜方式处

理,使整个电路板的空白区成为公共地，提高抗干 扰能力，具体措施为:数字地与模拟地分开覆铜、晶 振及GPS周围进行环绕覆铜并将其外壳另行接地。由于飞控系统工作在高压环境中，所以飞控系

统的强电保护也是至关重要的。对飞控系统的电

机控制信号进行光耦隔离，令其即使在强电环境下

也不会对飞控系统造成影响。2飞控系统抗干扰实施方案2.1飞控系统抗干扰设计该线路巡检的工作场景为强电环境，由于飞行 环境较为特殊，因此需要对无人机的飞控系统做出 一系列严格的安全性设计。7。完善的屏蔽体可防第6期艾红卫，等:输电线路巡检无人机飞控系统抗干扰关键技术• 473 -系统，

，屏

系统的 向;飞控系统与其

路

系统的电气连 用 插号之间应保持完整性，对必不 须作妥善处理，且屏

的缝隙、要有可头，连接导线采用屏蔽电缆;所有分系统的核心电

风 电缆 用隔离型DC-DC供电，并与

的接地。合理的接地系统

号、大信号

有效地 ，小行光电隔离;所有电路板喷涂

作用。2.2飞控系统抗干扰试验漆，起到绝缘、生 的电路

。合适的滤波技术

地,滤除高漏电损潮、防漏电、防震、防尘、防腐蚀、防老化、耐电晕

地电阻

谐波，合

滤波器的 ，

限制

耗。限幅技术 作电平，限幅电平应高根据技术要求，带电作业

在 室

行测试，测试无人机

1所示。的飞控系统抗于工作电平，并且应双向限幅。正确选用连接电缆 和布线方式，必要

用光缆代替长电缆。巡检过程中毫米波雷达测得的

际高压输电线现 1据依次为 10 m、为 20 m、、0 m、7 m、5 叫增 化

3 m、2 m。经过折算后的飞机 飞地面高度为9.6 m、19.7 m、22.7 m、24.6 m,增量变化大小分 为10. 1 m、3 m、l. 6 m。

出毫米波雷达的据准确度接近GPS,具有较高的准确度且稳定性 较好。根据实际测

，当无人机 特高压线路于20 m时，磁航向受到间歇性 ；当无人机距特高压线路小于9 m时,磁航向受到严 扰。根据融合双差分GPS的无人机航向与目标航向的

跟 ，可知融合双差分GPS的无人机航向表现良好。融合双差分GPS的无人机航向在 5 m处未受

导线，与 线路大于30 m在

特高压带电线现基 致。无人机机载姿

路5 m处姿态测量状态良好，未受

停测试的5 min内姿态测量值稳定性与

，悬30 m现基 致。无人机机载气压高度计在 ：图1测试无人机Fig. 2 Unmanned aerial vehicle for tests特高压带线电线路5 m处姿态测量状态良好，其测 值与融合差分GPS的高度数据基

。GNSS搜星数量在

致，未受到导线5 m处未受到明显2. 6. 1无人机500 kV空气电场预防性试验

，搜星 于等于9颗。测试过程中遥为保证正式测 的安全，进行了 500 kV空室进行，无人机上方控 讯链路 ， 行，采用

讯链路正常，通讯未受飞电 性安全。 在上海交 学（徐

。为了实现无人机带电巡检的 汇）电力传输与功率变换

：通过尼龙绳索连接至测试间的悬挂梁上，悬挂梁接

地磁容易受

1） 普通无人机飞控系统 地。尼龙绳索长度大于9 m,无人机样机

，使于

电场中，如图2所示。为处飞机航向角，在导线带电 飞机

生漂移。为实现无人机带电飞行，飞控与双天线差分GPS测姿相测 电磁 。：天气晴，相对湿度5。％，温度20兀；系统要采用地磁 合的方式，

式测试间，室内无风，除测试电 无其他强确 无人机 向 。2） 为了使飞控系统 电作业的安全标准,测 、 姿

，无人机样机的磁航向未受到干飞控系统 EMC设计:外壳内壁敷设导电涂层,测 未受

。、 高 度 测 未 受 、屏蔽作用，可以有效抵御静电、电磁讯链路未受

-474 -黑龙江电力第41卷图2 500 kV空气电场预防性试验现场Fig. 2 Site of prcvvntivv tests for 550 kV ais fielO0. S, S无人机5/0 kV带电线路环境下飞控系统抗

干扰试验飞控系统 的测试过程:作业前 、 飞、起飞并 近导线、导线5 m处悬停、返程。作业前

要 地测试要求、飞控系统无误后起飞进行 测试，确保无人机在常规作。无人机 近导线并悬

停与距导线5 m处,观察在超高压

飞控系统受到电磁

。当所有测试完成后，操作员应控制无人机缓慢匀速下降,逐步远离导线，最终降

落至起飞原点。飞控

，无人机带电巡

根据要求 作。根据飞控系统设备电磁兼容的 知，飞控系统

GJSHA—97电磁度要求。3结语通过分析巡线无人机所处电磁环境的产生机理、强度、分布 ，确定无人机所面临的主要电磁干。针对电磁

特性，提出了 机载设备电磁兼容性的设计准

主要采取的 。全系统的电磁兼容性

, 无人机具有良好的电磁兼容性，能够准确 安全 点和故障点，引导

速 线路 ，降低检作人员劳动强度,提高输电线路 效率。参考文献：[1 ]谢晓巍，高世文•航天装备系统试验信息化建设研究[J].航

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