电场测量装置和电场测量方法与流程

1.本发明涉及电场测量技术领域，尤其涉及一种电场测量装置和电场测量方法。


背景技术：

2.在国内很多偏远地区，对于高压输配电线路带电作业仍然使用非接触验电，一般是通过对电场强度的感应来判断输配电线路是否有电。但是通过这种方法验电整体效率较低，而且受到外部因素的影响较大，可能会出现线路有电却检验不出电的情况。随着无人机技术的快速发展，基于无人机挂载电场强度测量传感器可以通过无线遥控的方式实现空间电场的测量。然而，现有的无人机测量方案，对于空间大尺度范围内的电场强度测量，还存在较大困难。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提出了一种电场测量装置和电场测量方法，旨在解决现有无人机测量方案，对于空间大尺度范围内的连续、时变电场强度测量，还存在较大困难的问题。
4.第一方面，本发明提供了一种电场测量装置，包括多架无人机、地面+机载控制系统、三维成像模组和电场测量模组，所述无人机包括机本体，以及设于所述机本体上的机载控制模组、激光雷达三维成像模组和吊挂于机本体下方的电场测量传感器模组；所述地面+机载控制系统包括地面控制模组和机载控制模组；所述激光雷达模组能够感测所述机本体的飞行位置，所述电场测量传感器能够感测电场数据，所述电场测量模组、所述激光雷达三维成像模组均与所述机载控制模组电连接，以能够通过所述机载控制模组的无线接收及无线发射模块与所述地面控制模组通信连接，所述地面+机载控制系统能够根据各所述机本体的飞行位置控制各所述机本体飞行时的阵列分布，所述地面+机载控制系统还能通过各所述传感器的电场数据和传感器所处的空间位置获得目标空间区域的电场强度。
5.在其中一种实施例中，所述电场测量传感器通过多面体形平行板电容器以阵列的形式分布在类足球烯正多面体壳体的每个面上，所述电场测量传感器包括类足球烯正多面体壳体，以及设于类足球烯正多面体壳体内的正多面形平行板电容器、芯片及配套电子元件。
6.在其中一种实施例中，所述类足球烯正多面体的各个面均嵌设一个所述正多面形平行板电容器，每个所述电容器包括两个尺寸相同、平行布置的正多边形金属电极，所述电容器两个电极之间充满填充一定厚度、与电极正多边形相同的绝缘纤维增强环氧树脂复合材料电介质；所述电容器两个金属极板与复合材料电介质致密粘接。
7.在其中一种实施例中，所述无人机还包括驱动机构，所述驱动机构由双电机实现电场测量传感器模组转动和摆动；所述双电机驱动的转动机构+摆动机构整体固定于所述机本体的底部，所述电场测量传感器模组固定在摆动机构摆杆的末端，摆动电机通过多杆曲柄机构驱动摆杆摆动改变所述电场测量传感器的空间位置和朝向。
8.在其中一种实施例中，所述转动机构包括带抱闸电机、联轴器和方形管状挂架，所
述摆动机构包括带抱闸电机、联轴器、锥齿轮减速器、驱动杆、连接杆和摆杆，驱动杆一端固定连接在锥齿轮减速器输出轴上，摆杆一端与摆动机构方形管状支撑架侧壁上固定的摆杆支撑轴转动连接，摆杆支撑轴与锥齿轮减速器输出轴中心轴线平行，连接杆的两端分别与驱动杆远离锥齿轮减速器输出轴的一端、靠近摆杆与轴连接的一端通过转动铰链连接。
9.在其中一种实施例中，所述方形管状挂架、方形管状支撑架、摆杆、驱动杆、连接杆采用绝缘纤维增强树脂复合材料制作，所述摆动机构的质心位于转动机构电机的中心轴线上并且整体连接到固定在方形管状挂架内部的带抱闸电机输出轴上，所述转动机构电机的转动用于改变电场测量传感器摆杆在空间的摆动方向，所述摆动机构电机转动用于改变电场测量传感器摆杆与重力方向或水平方向的夹角，以改变电场测量传感器距离无人机下底面的垂直距离。
10.所述摆杆另一端与所述电场测量传感器模组连接，所述转动组件能够驱动所述空心摆杆带动所述电场测量传感器模组转动，所述摆动组件安装于所述机本体的底部，并与所述转动组件连接，以能够驱动摆杆带动电场测量传感器模组摆动。
11.在其中一种实施例中，所述方形管状挂架、方形管状支撑架、摆杆、驱动杆、连接杆采用绝缘纤维增强树脂复合材料制作，具有无磁、绝缘、高强度、高刚度、密度小和抗高低温疲劳的性能。
12.在其中一种实施例中，所述无人机还包括电池和多个中心对称旋翼，多个所述中心对称旋翼在所述机本体的周向间隔分布，所述旋翼包括电机，以及与所述电机的输出轴连接的螺旋桨，所述电池设置于所述机本体内，并用于为所述电机供电。
13.在其中一种实施例中，所述旋翼还包括连接件，所述连接件一端与所述机本体可转动并且可拆卸连接，另一端安装有用于驱动旋翼旋转的所述电机，通过调整连接件与无人机中心垂线的夹角可获得旋翼围绕无人机中心得不同分布及多种气动性能。
14.在其中一种实施例中，所述雷达模组为三维成像激光雷达，并固定安装于无人机本体上，激光雷达阵列处于空间的不同位置可获得三维空间大尺度范围的三维图像目标。
15.第二方面，本发明还提供了一种电场测量方法，所述电场测量方法应用上述任一实施例的电场测量装置，所述电场测量方法具体包括以下步骤：
16.位于地面的控制模组发送无线控制信号被机载控制模组的无线接收、无线发射模块接收，机载控制模组根据接收到的控制信号控制无人机阵列分布并飞行经过目标空间区域；
17.各无人机的激光雷达感测目标空间区域的三维图像并实时存储于机载控制模组，还以无线发送的形式把图像数据传送到位于地面的控制模组；
18.各无人机的电场测量传感器感测目标空间区域的电场数据并实时存储于机载控制模组，还以无线发送的形式把电场数据传送到位于地面的控制模组；；
19.各所述激光雷达处测量的电场测量传感器空间位置及电场测量传感器感测的电场数据被地面控制模组接收之后，经过处理获得目标空间区域的连续、时变电场强度。
20.采用本发明实施例，具有如下有益效果：
21.采用本发明的电场测量装置，包括多架无人机，各无人机的机本体飞行经过目标空间区域的过程中阵列分布，各无人机的激光雷达模组能够感测机本体的飞行位置，各电场测量传感器感测目标空间区域的电场数据，无人机阵列沿着输电导线飞行过程中获得的
特定区域成像数据及该区域的电场数据对应，电场测量传感器模组和激光雷达三维成像模组与机载控制模组电连接，以能够通过机载控制模组的无线接收、无线发射模块与地面控制模组通信连接，机载控制模组能够根据各机本体的飞行位置控制各机本体飞行时的阵列分布，机载控制模组能通过各激光雷达的成像数据和各电场测量传感器感测的电场数据获得目标空间区域的电场强度，被地面控制模组接收的三维成像和电场数据经过重新整合可获得目标空间区域的连续、时变电场强度，提高了空间大尺度范围内的电场强度测量的准确性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.其中：
24.图1为一个实施例电场测量装置中各无人机飞行时阵列分布图一。
25.图2为一个实施例电场测量装置中各无人机飞行时阵列分布图二。
26.图3为一个实施例电场测量装置中无人机的示意图一。
27.图4为一个实施例电场测量装置中无人机的示意图二。
28.图5为一个实施例电场测量装置中传感器的结构示意图。
29.图6为一个实施例电场测量装置中电容器的结构示意图。
30.图7为一个实施例电场测量装置中转动+摆动机构的结构示意图一。
31.图8为一个实施例电场测量装置中转动+摆动机构的结构示意图二。
32.附图标号：10、无人机；100、机本体；200、传感器；201、电容器极板一；202、电容器电介质；203、电容器极板二；300、激光雷达模组；400、机载控制模组；520、转动机构；521、转动机构电机；522、转动机构方形管状挂架；530、摆动机构；531、摆动机构电机；532、锥齿轮减速器；533、驱动杆；534、连接杆；535、摆杆；536、方形管状支撑架；610、电机；620、螺旋桨；630、连接件。
具体实施方式
33.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作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。
34.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果所述特定姿态发生改变时，则所述方向性指示也相应地随之改变。
35.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个所述特征。另外，各个实施例之间的技术方案
可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
36.随着国民经济的快速发展，电能需求进一步增长，输配电线路的规模与日俱增。高压输配电线路附近区域的电磁环境受到越来越多的关注，高压交流输电线路产生工频时变电场，而高压直流输电线路产生电晕放电会使得环境中的电场强度显著增加。一方面，长期暴露于强电场中可能引起生物热效应、生理效应、环境问题及对周边设备产生电磁干扰，成为环境保护和电磁兼容技术领域中不可忽视的问题。另一方面，由于高压输配电架空线路运行维护工作往往涉及到带电或临电作业，而高压输配电架空线路网架结构和周边环境复杂、多变，给其安全运行和带电维护工作带来了诸多困难和安全隐患，因此，准确、安全的测量高压输配电架空线路周边电场强度分布能为架空线路科学设计、敷设以及电网安全运行、维护措施的制订提供重要依据。
37.目前常用的测量电场的方法主要有电容式电场传感器、场磨式电场传感器以及光学式电场传感器等。电容式电场传感器，如德国narda公司efa-300体积大，且需要固定在空间中某一个位置，仅能测量电场值，无法对应空间坐标；场磨式电场传感器主要用于直流电场测量；光学式电场传感器由于温度问题，目前主要还处于研究试验阶段，在高潮湿条件下，用于测量电场的光纤会导致测量结果存在误差。从国内外电场测量传感器的发展现状来看，缺少能够准确测量高压输配电线路空间大尺度范围内多点时变电场的方法。
38.多旋翼无人机的应用缓解了带电作业中的危险性，在一定程度上减轻了工作压力，无人机可以对偏远地区的高压输配网线路进行验电。随着特高压直流输电工程的陆续投运，工程沿线居民对民房平台和四周合成电场的投诉引起了环保部门的广泛关注；此外，直流输电线路交叉跨越设计，换流站内直流场母线和导线的布置、带电作业，以及基于无人机的输配电线路智能巡检等日常重要工作，都需要准确有效的空间电场测量方法。虽然直流地面合成电场测量方法的研究日趋成熟，但是仍然缺乏空间直流合成电场的有效测量仪器和方法。
39.本发明实施例公开了一种电场测量装置，主要用于对空间大尺度范围内的连续、时变电场强度进行精准测量。请参阅图1至图8，一实施例的电场测量装置包括配套模组和多架无人机10，无人机10包括机本体100，以及设于机本体100上的电场测量传感器200、激光雷达模组300和机载控制模组400，电场测量传感器200能够感测电场数据，激光雷达模组300能够感测机本体100的飞行位置，电场测量传感器200和激光雷达模组300均与机载控制模组400电连接，以能够通过机载控制模组400的无线接收及无线发射模块与地面控制模组通信连接，地面控制模组能够根据各机本体100的飞行位置发送指令至机载控制系统以控制各机本体100飞行时的阵列分布，地面控制模组还能通过各电场测量传感器200的电场数据获得目标空间区域的电场强度，并且根据激光雷达成像数据将各电场测量传感器200的电场数据重新整合，从而获得目标空间区域的连续、时变电场强度，提高了空间大尺度范围内的电场强度测量的准确性。
40.可以理解的是，现有电场强度的测量方案中，通常使用一架无人机，在选定时间点只能测量单个位置的电场分布，如果需要得到空间大尺度范围内的电场强度，采用一架无人机无法实现，而本实施例的电场测量装置，采用无人机阵列挂载电场测量传感器200和激
光雷达模组300，能够同时测量多个位置的电场分布，地面控制模组并能够将各电场测量传感器200的电场数据和激光雷达模组300的成像数据重新整合，从而通过移动的无人机阵列获得目标空间区域的连续、时变电场强度，从而获得较高的测量精度。
41.本实施例的电场测量装置，可应用于高压输配电架空线路空间电场测量领域，用于对架空线路附近空间三维电场进行测量。由于本实施例的电场强度为各电场测量传感器200的电场数据重新整合而得到的，因而该电场强度包含空间位置数据，可以进行空间全域电场分布评估，克服了高空中不易测量电场，避免了高强度电场对人员的伤害，实现了对高空环境下的电场的准确测量。
42.在本实施例中，电场测量装置还包括工作站，工作站设于地面，地面控制模组设于工作站内，地面控制模组能够执行数据存储与数据处理，机载控制模组400能够通过自身的无线接收及无线发射模块将数据发送至地面工作站的控制模组内，从而将各电场测量传感器200的电场数据重新整合，获得目标空间区域的电场强度，实现空间电场的连续、实时测量，将无人机阵列飞行的空间位置信息与测量的电场数据相结合，能够实现高空任意指定坐标的空间电场准确测量。解决了常规电场测量设备只能测量地面附近固定高度电场数据的问题，缓解了带电作业中的危险性，避免了高强度电场对作业人员的伤害。
43.在本实施例中，机载控制模组控制无人机阵列始终与线路保持恒定的空间相对位置，因此，采用激光雷达模组300进行输配电线路空间位置探测，以确保传感器200能够采集到以线路为几何对称点的空间断面电场值，从而确保无人机阵列在空间沿线路平行移动时与线路保持恒定的相对距离。
44.具体的，电场测量装置还包括遥控器，通过遥控器能够控制无人机10实现空中停留作业，之后通过电场测量传感器200对输配电线路中的电场信号进行采集，并在地面控制模组内重新整合形成大尺度空间区域的电场强度。
45.可以理解的是，由于输配电线路呈条带状分布，且随地形起伏，无人机10的飞行高度、成像精准度，以及航线设计都影响电场测量结果，为了提高测量精准度，无人机10会在工作人员通过遥控器发出一系列指令后完成相应的操作，通过激光雷达模组300对输配电线路上的金具、绝缘子、杆塔、导线等，进行异物排查或者工作状态排查，通过无人机10装载的电场测量传感器200，对无人机10飞过的输配电线路进行电场测量。
46.在一实施例中，激光雷达模组300为激光雷达，并安装于机本体100摆动机构中的摆杆上。通过激光雷达模组300可以定位所属无人机10的空间位置坐标，并将空间位置坐标信息传输至控制模组，用于通过遥控器遥控无人机10的飞行轨迹。
47.通过各无人机10的激光雷达模组300，能够将各激光雷达模组300的成像叠加重构，以获得全方位位置信息，激光雷达模组300对于通过相位调制的激光雷达其单个距离向脉冲发射信号可用如下公式表示：其中p
send
为激光发送的脉冲信号；as(t)为激光强度；f0为激光信号载频；为激光初始相位；为激光初始相位；c.c.为共轭。
48.在一实施例中，请一并参阅图5，电场测量传感器200为类足球烯多面体阵列电场测量传感器200，通过本实施例的类足球烯阵列电场测量传感器200，在空间多个方向能同时测量大区域范围内的时变电场，能够实现复杂电磁环境下的电场精确测量，基于类足球
烯阵列的多面体电场测量传感器200和无人机阵列开展电场测量能够提高测量结果的准确性和测量精度。
49.在本实施例中，电场测量传感器200包括壳体，以及设于壳体内的平行板电容器和芯片及配套电子元件，电容器设有多个，并且呈正多面体型阵列布置。通过无人机阵列挂载的多面体阵列电场测量传感器200，能够沿着导线架设的方向连续测量导线周围空间的电场分布，为高压输配电线路带电检修提供了安全、可行的临电预警方法。
50.进一步的，正多面体的各个面均嵌设一个电容器，每个电容器包括两个尺寸相同、平行布置的正多边形金属电极，两块金属电极之间充满绝缘纤维增强环氧树脂复合材料，金属电极与复合材料热膨胀系数接近并牢固粘贴。
51.两个平行金属电极板外表面的电荷密度其中ε0为空气介电常数，δs为极板面积。
52.制作电容器的金属材料与绝缘纤维增强环氧树脂复合材料在电场测量传感器-70～70℃工作温度范围内的热膨胀系数接近，两者的差值在一个数量级以内。当然，在其他实施例中，两块金属电极之间还可充满绝缘短纤维或绝缘纳米颗粒增强环氧树脂复合材料电介质。
53.具体的，请参阅图6，电容器包括电容器极板一201、电容器电介质202和电容器极板二203。
54.在本实施例中，正多面体为类足球烯的多面体支撑结构。电场测量传感器200还包括无线充电电源、无线发射模块和导线，壳体为憎水性绝缘外壳。本实施例的空间工频电场通过正多面体型布置的电容阵列和芯片进行逆推测量，芯片通过无线充电电源供电。
55.通过无人机阵列携带的电场测量传感器200可灵活改变空间排布和精确测量空间电场分布，挂载电场测量传感器200的无人机阵列在空间截面停留一个周期(例如，0.02s)，就能采集工频交流电在一个周期内空间电场的数值和方向，经过进一步的数据处理即可绘出一个周期内空间中某个截面的电场变化情况，挂载电场测量传感器200的无人机10沿高压配电线路移动过程中即可绘出线路周边空间电场分布。
56.在一实施例中，无人机10还包括转动+摆动驱动机构，转动+摆动驱动机构安装于机本体100的底部，并与电场测量传感器200连接，以能够驱动电场测量传感器200改变电场测量朝向，从而控制电场测量传感器200的测量方位，以提高电场测量的准确性。
57.进一步的，驱动机构包括转动机构520和摆动机构530，转动机构520包括转动机构电机521和转动机构方形管状挂架522；摆动机构530包括摆动机构电机531、锥齿轮减速器532、驱动杆533、连接杆534、摆杆535和方形管状支撑架536；摆杆535一端与方形管状支撑架536连接，另一端与电场测量传感器200连接，摆动机构能够驱动摆杆535带动电场测量传感器200转动，转动机构520安装于机本体100的底部，并与摆动机构530连接，以能够驱动转动机构520、摆杆535和电场测量传感器200摆动。通过转动机构520和摆动机构530能够调整摆杆535的姿态，从而实现摆杆535的旋转和摆动。具体的，转动机构520和摆动机构530均具
有带抱闸的大变速比电机。
58.进一步的，摆杆535为绝缘材料制成的空心杆。该摆杆535板可选为纤维增强树脂复合材料摆杆535。该摆杆535为由高强度绝缘纤维缠绕并经过环氧树脂真空压力浸渍固化成型而制成的复合材料摆杆。具体的，摆杆535由玻璃纤维、尼龙纤维等增强环氧树脂复合而成，或者，摆杆535由绝缘短纤维或绝缘纳米颗粒增强树脂复合材料复合而成。在工频电场中不会感应涡流，摆杆535具有憎水性和绝缘性，提高了空间工频电场测量结果的准确性。
59.另外，通过电场测量传感器200的有效测量距离，可同步配置摆杆535的长度，采用设定好长度的摆杆535，并通过调节其转动角度和摆动幅度，再结合架空线路的路径，周围的环境，设定无人机10的飞行路径；根据无人机10的飞行路径和电场测量传感器200采集到的电场数据，再调节摆杆535距离架空线路的距离，并为无人机10的飞行路径进行修正，以保证采集到的电场数据是准确的。
60.在本实施例中，地面的工作人员通过遥控方式对无人机10的飞行状态和电场测量传感器200相对于无人机10中心坐标的位置变化进行控制，能够保证高压输配电线路附近区域在远距离方向的空间三维电场分布测量，避免高压输配电线路带电检测出现漏检的情况。
61.在本实施例中，各无人机10均设有一个摆杆535和一个电场测量传感器200，摆杆535与电场测量传感器200一一对应设置，当然，在其他实施例中，每个摆杆535上可安装有阵列在类足球烯支架上的多个电容器构建的电场测量传感器200，从而提高电场测量的精准度，适用于各传感器200的电场探头均用于测量同一空间三维电场的情况。另外，为了提高电场测量传感器200在摆杆535上安装的稳定性和可靠性，电场测量传感器200的壳体通过绝缘复合材料螺栓连接的方式安装于摆杆535底部。
62.在一实施例中，无人机10还包括电池和多个旋翼，多个旋翼在机本体100的周向间隔分布，旋翼包括电机610，以及与电机610的输出轴连接的螺旋桨620，电池设置于机本体100内，并用于为电机610供电。进一步的，旋翼还包括连接件630，连接件630一端与机本体100转动连接，另一端安装有电机610。在本实施例中，各电机610的供电工作情况，通过无人机10的控制芯片进行协同控制，从而控制螺旋桨620转动，带动无人机10飞行。
63.本实施例的电场测量装置，采用无人机群控技术，不仅可以实现空间大尺度范围内高压直流输配电线路产生的电场测量，还可以实现空间大尺度范围内高压工频交流输配电产生的时变电场测量，通过遥控方式改变无人机阵列的构型和电场测量传感器200在空间所处的位置，即控制各无人机10的飞行方向和电场测量位置，从而得到三相交流输配电线路附近空间不同位置产生的时变电场分布，借助数据处理技术能够生成沿着高压输配电线路方向的三维电场分布。
64.在本实施例中，所述无人机10的飞行控制系统与电场测量传感器200的控制系统在物理上互不关联，电场测量传感器200的机载及地面控制系统主要担负电场测量传感器200姿态调整、激光雷达成像及处理、电场测量数据无线发送及处理。无人机10和电场测量无线通讯连接包括采用cofdm(信道编码的正交频分复用)全数字调制解调技术及mpeg2/mpeg4数字压缩编码技术、蓝牙连接、zigbee连接、rf连接中的一种或几种，本发明对此不作限定。工作站的主机与机载控制模组400的无线通讯距离大于或等于20m。
65.本发明实施例的电场测量装置，解决了空间大尺度范围内的三维电场测量问题，消除了强电磁环境带电状态下进行高电压输配电线路运维存在的危险。需要说明的是本发明主要针对结构设计，可能涉及的机电等电气控制技术，仅为实现本发明目的的现有技术手段，本发明在此不作具体阐述，也不作限制，本发明只在保护产生有益效果的结构。
66.请参阅图1至图8，一实施例的电场测量方法，电场测量方法应用上述任一实施例的电场测量装置，电场测量方法具体包括以下步骤：
67.s710、各无人机10的机本体100飞行经过目标空间区域的过程中阵列分布。
68.s720、各无人机10的传感器200感测目标空间区域的电场数据。
69.s730、通过各传感器200的电场数据获得目标空间区域的电场强度。
70.采用本发明的电场测量方法，各无人机10的机本体100飞行经过目标空间区域的过程中阵列分布，各无人机10的电场测量传感器200感测目标空间区域的电场数据，通过各电场测量传感器200的电场数据获得目标空间区域的电场强度，能够将各电场测量传感器200的电场数据重新整合，从而获得目标空间区域的电场强度，提高了空间大尺度范围内的电场强度测量的准确性。
71.以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。