一种用于无人机巡检带电导线的电场差分避障系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机避障技术领域，具体为一种用于无人机巡检带电导线的电场差分避障系统及方法。

背景技术

无人机也被称为无人驾驶飞行器或无人机器人，是一种没有人搭乘的飞行器，可以通过遥控或自主计算机系统来进行飞行控制，不需要人直接操控，无人机通常由机身、动力系统、传感器和飞行控制系统组成，传感器可以用于获取环境信息、采集图像或执行特定任务；

巡检带电导线是指对高压输电线路或带电设备中的导线进行巡查和监测的工作，这些导线通常用于输送电能，具有较高的电压和电流，因此需要定期进行巡视和检修，以确保其正常运行和安全使用；

电场差分避障系统基于电场测量原理，通过检测地面下电荷分布情况，识别环境中的障碍物并自主规避，从而实现AV行驶过程中的安全性和智能化控制；

现有的无人机避障系统主要是基于图像技术，使用图像技术对带电导线进行检测可能会面临困难，带电导线通常是细线形不太明显，在复杂的背景环境中可能很难准确识别和定位，由于图像技术主要关注外观特征和空间分布，很难直接感知到无人机与带电导线之间的电场差异，电场差异是判断无人机与导线距离和位置关系的重要指标，无法准确感知可能导致避障效果下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于无人机巡检带电导线的电场差分避障系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于无人机巡检带电导线的电场差分避障系统，包括数据存储单元、数据处理单元、避障单元、机载控制单元、执行单元、安全区域定义单元、地面控制单元、三维成像单元、障碍检测单元、报警单元和人机交互界面单元；

电场感知单元，所述电场感知单元在无人机下方搭载电场测量传感器模组，用于获取目标空间区域的电场数据，电场测量传感器模组采用多面体平行板电容器类足球面阵列电场测量传感器，将获取的电场数据实时传输至差分计算单元；

差分计算单元，所述差分计算单元对电场感知单元传输的电场数据进行接收，对于相邻的电场数据，通过减去前一个位置的电场值从而得到差分值，即差分值＝当前位置电场值-前一个位置电场值计算电场差分值，将计算的电场差分值实时传输至差分测量单元；

差分测量单元，所述差分测量单元对差分计算单元传输的电场差分值进行接收，将无人机附近电场的差分值减去带电导线附近电场的差分值，从而完成对无人机与带电导线之间的电场差分值的测量，以便准确定无人机与带电导线之间的电场差异，将测量的无人机与带电导线之间的电场差分值实时传输至机载控制单元；

传感器单元，所述传感器单元在无人机下方搭载距离传感器，用于测量无人机与电场导线之间的距离，以便及时发现潜在的碰撞风险，在无人机下方搭载电场传感器用于检测电场强度的变化，通过判断导线附近的电场强度，从而判断导线是否通电，若导线不通电则不需要进行带电导线的巡检，从而结束无人机巡检任务，将测量的距离和电场强度实时传输至数据处理单元。

优选的，所述数据处理单元对传感器单元传输的测量的距离和电场强度进行接收，从传输的数据中解析出距离值和电场强度值，使用校验算法来验证数据的正确性，对解析出的距离值和电场强度值去除噪声、平滑数据和标准化数据范围，将处理后的数据同时传输至数据存储单元和机载控制单元，所述数据存储单元对数据处理单元传输的数据进行接收，将接收的数据存储至数据库中，方便进行数据查询和检索操作，校验算法具体为：

其中，χ表示观测数据，λ表示采集数据，ρ表示相关系数。

优选的，所述障碍检测单元使用激光雷达和红外线传感器实时监测周围环境中的物体，并将检测到的障碍物位置和动态信息传输至安全区域定义单元，所述安全区域定义单元对障碍检测单元传输的检测到的障碍物位置和动态信息进行接收，根据接收的检测到的障碍物位置和动态信息定义无人机的安全区域范围，通过设定边界参数和规则，确定安全区域，根据实时的障碍物位置和动态信息，安全区域将相应地进行调整和更新，将定义的安全区域同时传输至避障单元和报警单元。

优选的，所述三维成像单元在无人机上搭载激光雷达三维成像模组用于获取目标空间区域的三维图像，通过发射激光束，接收反射回来的激光信号，进而得到目标空间区域的三维坐标信息，将获取的三维坐标信息传输至机载控制单元，所述避障单元对安全区域定义单元传输的安全区域和机载控制单元传输的测量的无人机与带电导线之间的电场差分值进行接收，判断无人机与带电导线之间的距离和位置关系，通过比较电场差分值与预设的阈值，确定无人机与带电导线的距离是否足够安全，根据距离和位置的判断结果，生成相应的避障控制指令，如果无人机接近或潜在碰撞风险增加，发送指令给机载控制单元，要求调整无人机的飞行轨迹以避开带电导线，将生成的避障控制指令传输至机载控制单元。

优选的，所述机载控制单元对数据处理单元传输的距离值和电场强度值、差分测量单元传输的电场差分值、三维成像单元传输的三维坐标信息和避障单元传输的避障控制指令进行接收，根据接收的电场强度值判断导线是否带电，若是导线不带电，则发出第一控制信号，从而结束无人机巡检任务，若是导线带电，则按预设要求进行无人机巡检要求，将第一控制信号传输至地面控制单元，根据接收的三维坐标信息，将其用于飞行控制和位置定位，将接收的测量的无人机与带电导线之间的电场差分值传输至避障单元，将接收的避障控制指令传输至执行单元，并将接收的三维坐标信息传输至地面控制单元，所述执行单元对机载控制单元传输的避障控制指令进行接收，根据接收的避障控制指令控制无人机的动作和行为，实现智能飞行和操作控制功能。

优选的，所述报警单元对安全区域定义单元发出的安全区域进行接收，在无人机上搭载GPS传感器测量无人机的位置信息，根据测量的无人机的位置信息判断无人机是否在安全区域内部，若不在区域内部，则发出警报，从而提醒工作人员无人机不在安全区域内部，所述地面控制单元对机载控制单元发出的第一控制信号和三维坐标信息进行接收，根据接收的第一控制信号判断导线是否带电，并将激光雷达三维成像模组的图像数据和导线是否带电的信息传输至人机交互界面单元，所述人机交互界面单元对地面控制单元传输的数据进行接收，通过图形用户界面将接收的数据进行展示。

优选的，所述电场感知单元包括电场测量传感器模块和数据传输模块，所述电场测量传感器模块搭载了多面体平行板电容器类足球面阵列电场测量传感器模组，该模组实时地获取目标空间区域的电场数据，所述数据传输模块将获取的电场数据实时传输至差分计算单元。

优选的，所述传感器单元包括距离传感器模块和电场传感器模块，所述距离传感器模块搭载了用于测量无人机与电场导线之间距离的距离传感器，该传感器实时地测量无人机与电场导线之间的距离，并用于及时发现潜在的碰撞风险，所述电场传感器模块搭载电场传感器，用于检测电场强度的变化，通过监测电场强度的变化，判断电场导线是否通电。

优选的，所述安全区域定义单元包括数据接收模块和安全区域定义模块，所述数据接收模块对障碍检测单元传输的检测到的障碍物位置和动态信息进行接收，以便后续进行处理和分析，所述安全区域定义模块基于接收到的障碍物位置和动态信息，定义无人机的安全区域范围，通过设定边界参数和规则，确定安全区域，根据实时的障碍物位置和动态信息进行调整和更新。

一种用于无人机巡检带电导线的电场差分避障方法，包括以下步骤：

S1、将电场感知单元安装在无人机的下方，通过电场测量传感器获取目标空间区域的电场数据，并实时传输至差分计算单元；

S2、差分计算单元对相邻的电场数据进行差分计算，得到电场差分值，并将其实时传输至差分测量单元；

S3、传感器单元搭载距离传感器和电场传感器，在无人机下方测量无人机与电场导线的距离和电场强度，并将测量结果实时传输至数据处理单元

S4、数据处理单元接收传感器单元传输的数据，并对距离值和电场强度值进行解析、校验、噪声去除、平滑和标准化处理，处理后的数据同时传输至数据存储单元和机载控制单元；

S5、障碍检测单元使用激光雷达和红外线传感器实时监测周围环境中的物体，并将检测到的障碍物位置和动态信息传输至安全区域定义单元；

S6、安全区域定义单元接收障碍检测单元传输的障碍物信息，根据边界参数和规则定义无人机的安全区域，根据实时的障碍物位置和动态信息，安全区域进行调整和更新，并将定义的安全区域传输至避障单元和报警单元

S7、三维成像单元搭载激光雷达三维成像模组，获取目标空间区域的三维图像，并将三维坐标信息传输至机载控制单元；

S8、避障单元接收安全区域定义单元传输的安全区域和机载控制单元传输的电场差分值，判断无人机与带电导线的距离和位置关系，根据电场差分值与预设阈值的比较，确定无人机与带电导线的安全距离，根据距离和位置的判断结果，生成避障控制指令，并将其传输至机载控制单元；

S9、机载控制单元接收传感器单元传输的距离值和电场强度值、差分测量单元传输的电场差分值、三维成像单元传输的三维坐标信息和避障单元传输的避障控制指令，根据接收的电场强度值判断导线是否带电，根据三维坐标信息进行飞行控制和位置定位，将测量的电场差分值传输至避障单元，将接收的避障控制指令传输至执行单元，将接收的三维坐标信息传输至地面控制单元；

S10、执行单元接收机载控制单元传输的避障控制指令，并根据指令控制无人机的动作和行为，实现智能飞行和操作控制功能；

S11、报警单元接收安全区域定义单元发出的安全区域，搭载GPS传感器测量无人机的位置信息，并根据位置信息判断无人机是否在安全区域内部，若不在区域内部，则发出警报，提醒工作人员无人机不在安全区域内部；

S12、地面控制单元接收机载控制单元发出的第一控制信号和三维坐标信息，根据第一控制信号判断导线是否带电，并将激光雷达三维成像模组的图像数据和导线是否带电的信息传输至人机交互界面单元；

S13、人机交互界面单元接收地面控制单元传输的数据，并通过图形用户界面展示接收的数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过采集目标空间区域的电场数据和差分计算，可以实时获得无人机与带电导线之间的电场差异，从而准确判断无人机与导线的距离和位置关系，搭载了多种传感器，电场测量传感器、距离传感器、激光雷达和红外线传感器，可以全面感知周围环境中的障碍物和无人机与导线之间的距离，提高避障的精度和可靠性，通过安全区域定义单元和避障单元的协同工作，系统能够根据实时的障碍物信息和导线是否带电的判断，自动调整和更新无人机的安全区域范围，并生成避障控制指令，确保无人机在安全范围内飞行，降低碰撞风险；

2、本发明利用激光雷达三维成像模组获取目标空间区域的三维图像和坐标信息，能够更加全面地了解环境情况，辅助飞行控制和位置定位，提升无人机的智能飞行能力，通过数据处理单元对传感器测量的距离和电场强度进行解析、校验、去噪和标准化处理，提高数据的准确性和可用性，同时，数据存储单元将处理后的数据存储至数据库中，方便进行数据查询和检索操作，并能够自动监测和分析目标区域中的导线位置和状态，无需人工干预，它可以代替传统的人工巡检方法，减少人力资源的消耗和巡检时间，提高巡检的效率和精确度，巡检带电导线存在一定的风险，如人员误触电、传统工具碰撞导线等，采用电场差分避障系统可以减少这些风险，保障人员的安全，并降低事故发生的概率，提高工作场所的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例提供整体系统流程示意图；

图2为本发明实施例提供的电场感知单元的内部模块框图；

图3为本发明实施例提供的传感器单元的结构图；

图4为本发明实施例提供的安全区域定义单元的结构图。

图中：1、电场感知单元；101、电场测量传感器模块；102、数据传输模块；2、传感器单元；201、距离传感器模块；202、电场传感器模块；3、差分计算单元；4、数据存储单元；5、数据处理单元；6、差分测量单元；7、避障单元；8、机载控制单元；9、执行单元；10、安全区域定义单元；1001、数据接收模块；1002、安全区域定义模块；11、地面控制单元；12、三维成像单元；13、障碍检测单元；14、报警单元；15、人机交互界面单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种用于无人机巡检带电导线的电场差分避障系统，包括数据存储单元4、数据处理单元5、避障单元7、机载控制单元8、执行单元9、安全区域定义单元10、地面控制单元11、三维成像单元12、障碍检测单元13、报警单元14和人机交互界面单元15；

电场感知单元1，电场感知单元1在无人机下方搭载电场测量传感器模组，用于获取目标空间区域的电场数据，电场测量传感器模组采用多面体平行板电容器类足球面阵列电场测量传感器，将获取的电场数据实时传输至差分计算单元3；

差分计算单元3，差分计算单元3对电场感知单元1传输的电场数据进行接收，对于相邻的电场数据，通过减去前一个位置的电场值从而得到差分值，即差分值＝当前位置电场值-前一个位置电场值计算电场差分值，将计算的电场差分值实时传输至差分测量单元6；

差分测量单元6，差分测量单元6对差分计算单元3传输的电场差分值进行接收，将无人机附近电场的差分值减去带电导线附近电场的差分值，从而完成对无人机与带电导线之间的电场差分值的测量，以便准确定无人机与带电导线之间的电场差异，将测量的无人机与带电导线之间的电场差分值实时传输至机载控制单元8；

传感器单元2，传感器单元2在无人机下方搭载距离传感器，用于测量无人机与电场导线之间的距离，以便及时发现潜在的碰撞风险，在无人机下方搭载电场传感器用于检测电场强度的变化，通过判断导线附近的电场强度，从而判断导线是否通电，若导线不通电则不需要进行带电导线的巡检，从而结束无人机巡检任务，将测量的距离和电场强度实时传输至数据处理单元5。

数据处理单元5对传感器单元2传输的测量的距离和电场强度进行接收，从传输的数据中解析出距离值和电场强度值，使用校验算法来验证数据的正确性，对解析出的距离值和电场强度值去除噪声、平滑数据和标准化数据范围，将处理后的数据同时传输至数据存储单元4和机载控制单元8，数据存储单元4对数据处理单元5传输的数据进行接收，将接收的数据存储至数据库中，方便进行数据查询和检索操作，校验算法具体为：

其中，χ表示观测数据，λ表示采集数据，ρ表示相关系数；

障碍检测单元13使用激光雷达和红外线传感器实时监测周围环境中的物体，并将检测到的障碍物位置和动态信息传输至安全区域定义单元10，安全区域定义单元10对障碍检测单元13传输的检测到的障碍物位置和动态信息进行接收，根据接收的检测到的障碍物位置和动态信息定义无人机的安全区域范围，通过设定边界参数和规则，确定安全区域，根据实时的障碍物位置和动态信息，安全区域将相应地进行调整和更新，将定义的安全区域同时传输至避障单元7和报警单元14；

三维成像单元12在无人机上搭载激光雷达三维成像模组用于获取目标空间区域的三维图像，通过发射激光束，接收反射回来的激光信号，进而得到目标空间区域的三维坐标信息，将获取的三维坐标信息传输至机载控制单元8，避障单元7对安全区域定义单元10传输的安全区域和机载控制单元8传输的测量的无人机与带电导线之间的电场差分值进行接收，判断无人机与带电导线之间的距离和位置关系，通过比较电场差分值与预设的阈值，确定无人机与带电导线的距离是否足够安全，根据距离和位置的判断结果，生成相应的避障控制指令，如果无人机接近或潜在碰撞风险增加，发送指令给机载控制单元8，要求调整无人机的飞行轨迹以避开带电导线，将生成的避障控制指令传输至机载控制单元8；

机载控制单元8对数据处理单元5传输的距离值和电场强度值、差分测量单元6传输的电场差分值、三维成像单元12传输的三维坐标信息和避障单元7传输的避障控制指令进行接收，根据接收的电场强度值判断导线是否带电，若是导线不带电，则发出第一控制信号，从而结束无人机巡检任务，若是导线带电，则按预设要求进行无人机巡检要求，将第一控制信号传输至地面控制单元11，根据接收的三维坐标信息，将其用于飞行控制和位置定位，将接收的测量的无人机与带电导线之间的电场差分值传输至避障单元7，将接收的避障控制指令传输至执行单元9，并将接收的三维坐标信息传输至地面控制单元11，执行单元9对机载控制单元8传输的避障控制指令进行接收，根据接收的避障控制指令控制无人机的动作和行为，实现智能飞行和操作控制功能；

报警单元14对安全区域定义单元10发出的安全区域进行接收，在无人机上搭载GPS传感器测量无人机的位置信息，根据测量的无人机的位置信息判断无人机是否在安全区域内部，若不在区域内部，则发出警报，从而提醒工作人员无人机不在安全区域内部，地面控制单元11对机载控制单元8发出的第一控制信号和三维坐标信息进行接收，根据接收的第一控制信号判断导线是否带电，并将激光雷达三维成像模组的图像数据和导线是否带电的信息传输至人机交互界面单元15，人机交互界面单元15对地面控制单元11传输的数据进行接收，通过图形用户界面将接收的数据进行展示；

电场感知单元1包括电场测量传感器模块101和数据传输模块102，电场测量传感器模块101搭载了多面体平行板电容器类足球面阵列电场测量传感器模组，该模组实时地获取目标空间区域的电场数据，数据传输模块102将获取的电场数据实时传输至差分计算单元3；

距离传感器模块201搭载了用于测量无人机与电场导线之间距离的距离传感器，该传感器实时地测量无人机与电场导线之间的距离，并用于及时发现潜在的碰撞风险，电场传感器模块202搭载电场传感器，用于检测电场强度的变化，通过监测电场强度的变化，判断电场导线是否通电；

安全区域定义单元10包括数据接收模块1001和安全区域定义模块1002，数据接收模块1001对障碍检测单元13传输的检测到的障碍物位置和动态信息进行接收，以便后续进行处理和分析，安全区域定义模块1002基于接收到的障碍物位置和动态信息，定义无人机的安全区域范围，通过设定边界参数和规则，确定安全区域，根据实时的障碍物位置和动态信息进行调整和更新。

一种用于无人机巡检带电导线的电场差分避障方法，包括以下步骤：

S1、将电场感知单元1安装在无人机的下方，通过电场测量传感器获取目标空间区域的电场数据，并实时传输至差分计算单元3；

S2、差分计算单元3对相邻的电场数据进行差分计算，得到电场差分值，并将其实时传输至差分测量单元6；

S3、传感器单元2搭载距离传感器和电场传感器，在无人机下方测量无人机与电场导线的距离和电场强度，并将测量结果实时传输至数据处理单元5

S4、数据处理单元5接收传感器单元2传输的数据，并对距离值和电场强度值进行解析、校验、噪声去除、平滑和标准化处理，处理后的数据同时传输至数据存储单元4和机载控制单元8；

S5、障碍检测单元13使用激光雷达和红外线传感器实时监测周围环境中的物体，并将检测到的障碍物位置和动态信息传输至安全区域定义单元10；

S6、安全区域定义单元10接收障碍检测单元13传输的障碍物信息，根据边界参数和规则定义无人机的安全区域，根据实时的障碍物位置和动态信息，安全区域进行调整和更新，并将定义的安全区域传输至避障单元7和报警单元14

S7、三维成像单元12搭载激光雷达三维成像模组，获取目标空间区域的三维图像，并将三维坐标信息传输至机载控制单元8；

S8、避障单元7接收安全区域定义单元10传输的安全区域和机载控制单元8传输的电场差分值，判断无人机与带电导线的距离和位置关系，根据电场差分值与预设阈值的比较，确定无人机与带电导线的安全距离，根据距离和位置的判断结果，生成避障控制指令，并将其传输至机载控制单元8；

S9、机载控制单元8接收传感器单元2传输的距离值和电场强度值、差分测量单元6传输的电场差分值、三维成像单元12传输的三维坐标信息和避障单元7传输的避障控制指令，根据接收的电场强度值判断导线是否带电，根据三维坐标信息进行飞行控制和位置定位，将测量的电场差分值传输至避障单元7，将接收的避障控制指令传输至执行单元9，将接收的三维坐标信息传输至地面控制单元11；

S10、执行单元9接收机载控制单元8传输的避障控制指令，并根据指令控制无人机的动作和行为，实现智能飞行和操作控制功能；

S11、报警单元14接收安全区域定义单元10发出的安全区域，搭载GPS传感器测量无人机的位置信息，并根据位置信息判断无人机是否在安全区域内部，若不在区域内部，则发出警报，提醒工作人员无人机不在安全区域内部；

S12、地面控制单元11接收机载控制单元8发出的第一控制信号和三维坐标信息，根据第一控制信号判断导线是否带电，并将激光雷达三维成像模组的图像数据和导线是否带电的信息传输至人机交互界面单元15；

S13、人机交互界面单元15接收地面控制单元11传输的数据，并通过图形用户界面展示接收的数据。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。