一种输电线路巡线飞行避让装置及多旋翼巡线无人机的制作方法

本发明属于通信领域，尤其涉及一种输电线路巡线飞行避让装置及多旋翼巡线无人机。

背景技术：

近年来，我国国民经济的持续快速发展对电力工业提出越来越高的要求。我国目前已形成华北、东北、华中、西北和南方电网共6个跨省区电网，超过70万km的输电线路。然而由于我国国土辽阔，地形复杂，平原少、丘陵及山区较多，气象条件复杂，瓷绝缘子质量不够稳定等，为了安全和可靠地供电，巡线维护自动化和现代化已日益显示出其迫切性。

目前其一是采用有限车载的方法，用车把人员运送到离预先判定的故障点较近的位置，再由人员徒步前往排查地点，但是这种方法不仅在时间上不能满足紧急故障的排除要求，而且人员即使到达了故障地点也难以对高塔、高压等设备进行排查分析。

其二是采用有人驾驶的直升机进行巡线，但是目前有人直升机数量少，并且需要临时申请，调度时间长且维护费用昂贵，人身安全风险也较大；

其三是采用无人机实现电力巡线，但是现有无人机并不具备紧急避让装置，在空中作业过程中，难免会遇到交跨线、树木、建筑物以及山体等障碍物，虽然无人机通过GPS导航具有沿地势飞行功能，但是由于GPS存在误差，在执行任务的过程中可能会出现偏离预定航向的情况，并且在远距离飞行时，由于飞行航线上的地势差很大，变化频率较高，常常会导致撞山的严重后果；在近距离飞行时，也常因线路过密，无法及时避让线路导致碰线路摔机现象，无法安全、高效地实现输电线路的巡线维护。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种输电线路巡线飞行避让装置，旨在解决现有无人机在电力巡线过程中，突遇障碍物无法及时避让，导致摔机的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种输电线路巡线飞行避让装置，所述装置包括：

超声波传感器，用于根据发射电信号发射超声波，并将接收到的反射回波转换为反射电信号；

测距单元，用于生成所述发射电信号以及接收反射电信号，并根据所述反射电信号的接收时间计算飞行避让装置与所述障碍物之间的距离，所述测距单元的发射端与所述超声波传感器的输入端连接，所述测距单元的反射端与所述超声波传感器的输出端连接；

飞行控制单元，用于根据所述距离确定飞行状态，生成相应的飞行控制指令，所述飞行控制指令包括悬停信号、后退信号、前进信号、转弯信号；所述飞行控制单元的输入端与所述测距单元的输出端连接；

飞行动力单元，用于根据所述飞行控制指令执行对应的飞行状态，所述飞行动力单元的输入端与所述飞行控制单元的输出端连接。

本发明实施例的另一目的在于，提供一种多旋翼巡线无人机，包括飞机主体和多个机臂，所述无人机还包括上述实施例中的输电线路巡线飞行避让装置；

其中，飞行控制单元处于所述飞机主体中，每一所述机臂均设置有一超声波传感器、一测距单元和一飞行动力单元。

本发明实施例在六旋翼无人机的每一个机臂上分别装有超声波传感器和测距单元，通过超声波分别对无人机的六个方向的障碍物进行测距，通过回波接收时间解算与障碍物之间的距离，再分别控制六个机臂上的六个电子调速计来调整六个电机转速，从而调整每一个机臂的升力，进行紧急避障，控制六旋翼无人机悬停、后退、旋转或者左右飞行，避免无人机不会碰撞障碍物导致飞机 失控坠毁。该装置采用器件成本低廉，各种数据之间换算原理简单，易于实现和普及，并且不受环境光线的影响，对于较远障碍物能够快速识别，对较近障碍物也能有效避让，避免了无人机在巡线过程中由于GPS存在误差，导致偏离预定航向，在经过交跨线时造成与输电线路发生碰撞、摔机，提高了巡线维护的安全性和效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的输电线路巡线飞行避让装置的结构图；

图2为本发明实施例提供的输电线路巡线飞行避让装置中测距单元的结构图；

图3为本发明实施例提供的输电线路巡线飞行避让装置中超声波发射控制模块的示例电路图；

图4为本发明实施例提供的输电线路巡线飞行避让装置中超声波接收转换模块的示例电路图；

图5为本发明实施例提供的多旋翼巡线无人机中一旋翼的侧视结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例通过超声波分别对无人机的六个方向的障碍物进行测距，通过回波接收时间解算与障碍物之间的距离，再分别控制机臂上的电子调速计来调整电机转速，从而调整每一个机臂的升力，进行紧急避障，控制六旋翼无人机悬停、后退、旋转或者左右飞行，避免无人机不会碰撞障碍物导致飞机失控坠毁。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：

图1示出了本发明实施例提供的输电线路巡线飞行避让装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该输电线路巡线飞行避让装置可以应用于任何无人机中，特别是六旋翼巡线无人机中，该输电线路巡线飞行避让装置包括：

超声波传感器11，用于根据发射电信号发射超声波，并将接收到的反射回波转换为反射电信号；

在本发明实施例中，超声波传感器11可以包括发送器和接收器，具有发送和接收超声波的双重作用。

作为本发明一实施例，超声波传感器11可以采用压电式超声波换能器实现。压电式超声波换能器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换为超声波发射，在接收回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

测距单元12，用于生成发射电信号以及接收反射电信号，并根据反射电信号的接收时间计算飞行避让装置与障碍物之间的距离，测距单元12的发射端与超声波传感器11的输入端连接，测距单元12的反射端与超声波传感器11的输出端连接；

飞行控制单元13，用于根据距离确定飞行状态，生成相应的飞行控制指令，飞行控制指令包括悬停信号、后退信号、前进信号、转弯信号；飞行控制单元13的输入端与测距单元12的输出端连接；

飞行动力单元14，用于根据飞行控制指令执行对应的飞行状态，飞行动力单元14的输入端与飞行控制单元13的输出端连接。

飞行动力单元14可以包括电机、螺旋桨以及调速计等装置。

在本发明实施例中，无人机在进行对输电线路进行巡查时，当超声波传感器11探测到所在方向上障碍物时，超声波经障碍物反射形成回波，超声波传感器11接收到反射回波后发出反射电信号给测距单元12，测距单元12根据反射 电信号的接收时间与发射电信号的时间差计算无人机与障碍物之间的距离，并把该距离以电信号的形式发送给飞行控制单元13，飞行控制单元13解算该距离信号，根据该距离信号的变化，控制飞行动力单元14中的电子调速计来调整电机转速，进而调整每一个机臂的升力，进行紧急避障。当然，飞行动力单元14还可以控制无人机进行悬停、前进、后退以及转弯等状态变化，从而有效避让障碍物。

当超声波传感器11探测到障碍物越来越远时，飞行控制单元13不改变现有飞行指令，当超声波传感器11探测到障碍物越来越近时，则飞行控制单元13输出紧急避障指令，控制飞行动力单元14做出悬停或者远离障碍物的动作，即当距离障碍物越来越近时，飞行控制单元13会对探测到障碍物的超声波传感器11所在机臂的电子调速计增大电流的指令，探测到障碍物的超声波传感器11所在机臂的电机转速会变大，增加升力，从而达到悬停或者加速远离障碍物目的。

本发明实施例通过超声波分别对无人机的六个方向的障碍物进行测距，通过回波接收时间解算与障碍物之间的距离，再分别控制机臂上的电子调速计来调整电机转速，从而调整每一个机臂的升力，进行紧急避障，控制六旋翼无人机悬停、后退、旋转或者左右飞行，避免无人机不会碰撞障碍物导致飞机失控坠毁。

该装置采用器件成本低廉，各种数据之间换算原理简单，易于实现和普及，并且不受环境光线的影响，对于较远障碍物能够快速识别，对较近障碍物也能有效避让，避免了无人机在巡线过程中由于GPS存在误差，导致偏离预定航向，在经过交跨线时造成与输电线路发生碰撞、摔机，提高了巡线维护的安全性和效率。

图2示出了本发明实施例提供的输电线路巡线飞行避让装置中测距单元的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，测距单元12包括：

超声波驱动模块121，用于生成超声波驱动频率；

处理模块122，用于根据超声波驱动频率生成发射控制信号，处理模块122的选择端A1与超声波驱动模块121的输出端连接，处理模块122的串口通信端为测距单元12的输出端与飞行控制单元13无线连接；

作为本发明一优选实施例，可以采用单片机AT89S51及其外围器件(电阻R6和电容C7)来构成处理模块122。

超声波发射控制模块123，用于根据发射控制信号生成发射电信号，超声波发射控制模块123的输入端与处理模块122的输出端连接，超声波发射控制模块123的输出端为测距单元12的发射端；

超声波接收转换模块124，用于将接收的反射电信号转换为反射处理信号，以供处理模块122根据发射控制信号和反射处理信号计算超声波反射时间和障碍物距离，超声波接收转换模块124的输入端为测距单元12的接收端，超声波接收转换模块124的输出端与处理模块122的输入端连接。

优选地，超声波驱动模块121包括：

电容C5、电容C6和晶振J1；

晶振J1的一端为超声波驱动模块121的输出端与电容C6的一端连接，电容C6的另一端接地，晶振J1的另一端通过电容C5接地。

在本发明实施例中，可以通过定时器产生固定频率的信号作为超声波驱动，通常上述晶振J1的振荡频率可以设定在12M左右。

优选地，参见图3，超声波发射控制模块123包括：

电阻R1、电阻R2、第一与非门NOT1、第二与非门NOT2、第三与非门NOT3、第四与非门NOT4和第五与非门NOT5；

第一与非门NOT1的输入端为超声波发射控制模块123的输入端同时与第二与非门NOT2的输入端和第五与非门NOT5的输入端连接，第一与非门NOT1的输出端同时与第三与非门NOT3的输入端和第四与非门NOT4的输入端连接，第三与非门NOT3的输出端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端连接 电源电压VCC，第四与非门NOT4的输出端为超声波发射控制模块123的正输出端，第二与非门NOT2的输出端为超声波发射控制模块123的负输出端，第五与非门NOT5的输出端同时与第二与非门NOT2的输出端和电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端连接电源电压VCC。

优选地，参见图4，超声波接收转换模块124包括：

电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和转换芯片U1；

转换芯片U1的第一引脚为超声波接收转换模块124的正输入端与电容C4的一端连接，电容C4的另一端为超声波接收转换模块124的负输入端同时与电容C1、电容C2、电容C3的一端连接，电容C4的另一端还与转换芯片U1的第四引脚连接，电容C1的另一端通过电阻R5与转换芯片U1的第二引脚连接，电容C2的另一端与转换芯片U1的第三引脚连接，电容C3的另一端与芯片的第六引脚连接，转换芯片U1的第七引脚为超声波接收转换模块124的输出端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端同时与转换芯片U1的第八引脚、电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与转换芯片U1的第五引脚连接。

作为本发明一实施例，转换芯片U1可以采用CX20106A红外接收芯片或TCT40-10系列超声波转换芯片实现。

在本发明实施例中，单片机AT89S51通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机AT89S51不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

测距的原理一般采用渡越时间法TOF(timeofflight)。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振J1，因此该装置的测量精度理论上可以达到毫米级。

值得说明的是，超声波发射控制模块123还可以采用上述超声波接收转换模块124的电路结构实现，其中超声波接收转换模块124的输入端为超声波发射控制模块123的输出端，超声波接收转换模块124的输出端为超声波发射控制模块123的输入端。

作为本发明一优选实施例，结合图2，测距单元12还可以包括：

报警模块125，用于在障碍物距离小于预设值时发出报警信号，报警电路与处理模块122的报警输出端P4.0连接；

数显模块126，用于实时显示无人机姿态数据，例如无人机的高度、速度、俯仰角度等，数显模块126的驱动端与处理模块122的显示端连接。

优选地，数显模块126包括：

四位数码管J2和第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4；

四位数码管J2的每一位驱动端分别与第一开关管Q1至第四开关管Q4的输入端连接，第一开关管Q1至第四开关管Q4的输出端同时与电源电压VCC连接，第一开关管Q1至第四开关管Q4的控制端分别与数显模块126的多个驱动端。

四位数码管J2的段引脚均与单片机(处理模块)的多位数据端连接，单片机通过四位数码管J2的驱动端实现显示驱动，通过动态扫描法实现LED数字显示。

本发明实施例通过超声波分别对无人机的六个方向的障碍物进行测距，通过回波接收时间解算与障碍物之间的距离，再分别控制机臂上的电子调速计来调整电机转速，从而调整每一个机臂的升力，进行紧急避障，控制六旋翼无人机悬停、后退、旋转或者左右飞行，避免无人机不会碰撞障碍物导致飞机失控坠毁。

该装置采用器件成本低廉，各种数据之间换算原理简单，易于实现和普及，并且不受环境光线的影响，对于较远障碍物能够快速识别，对较近障碍物也能 有效避让，避免了无人机在巡线过程中由于GPS存在误差，导致偏离预定航向，在经过交跨线时造成与输电线路发生碰撞、摔机，提高了巡线维护的安全性和效率。

图5示出了本发明实施例提供的多旋翼巡线无人机中一旋翼的侧视结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该多旋翼巡线无人机，包括飞机主体1和多个机臂2，以及上述实施例中的输电线路巡线飞行避让装置；

其中，飞行控制单元13处于飞机主体1中，每一机臂2均设置有一超声波传感器11、一测距单元12和一飞行动力单元14。

优选地，超声波传感器11固定连接于机臂2的末端，测距单元12固定连接于机臂2与飞机主体1的连接处，飞行动力单元14固定于机臂2的上部。

在本发明实施例中，采用六旋翼无人机实现对输电线路进行巡查，其中六个机臂2末端分别固定安装一个超声波传感器11，每一超声波传感器11均连接一测距单元12，六个测距单元12均与飞行控制单元13连接，分别对无人机的六个方向的障碍物进行测距，超声波经障碍物反射形成回波，六个超声波传感器11接收到反射回波后分别发出反射电信号给对应的六个机臂2上的测距单元12，测距单元12根据反射电信号的接收时间与发射电信号的时间差计算六个机臂2分别与障碍物之间的距离，并把该距离以电信号的形式都发送给飞行控制单元13，飞行控制单元13解算该距离信号，根据该距离信号的变化，分别控制六个机臂2上的六个电子调速计来调整六个电机转速，从而调整每一个机臂2的升力，进行紧急避障，控制六旋翼无人机悬停、后退、旋转或者左右飞行，避免无人机不会碰撞障碍物导致飞机失控坠毁。

当超声波传感器探测到障碍物越来越远时，输出探测信号会越来越弱时，测距单元12解算障碍物到同一方向机臂2的距离会越来越大，再转化为数字信号输入给飞行控制单元13，则飞行控制单元13不改变飞机正在飞行的指令，继续巡线作业飞行；

当超声波传感器探测到障碍物越来越近时，输出探测信号会越来越强时，测距单元12解算障碍物到同一方向机臂2的距离会越来越近，再转化为数字信号输入给飞行控制单元13，则飞行控制单元13做出紧急避障指令，给六个电子调速计，控制六个电机转速，做出悬停或者远离障碍物的动作，即，当距离障碍物越来越近时，测距单元12会对探测到障碍物的超声波传感器11所在机臂的电子调速计增大电流的指令，探测到障碍物的超声波传感器11所在机臂的电机转速会变大，增加升力，从而达到悬停或者加速远离障碍物目的。

本发明实施例在六旋翼无人机的每一个机臂上分别装有超声波传感器和测距单元，通过超声波分别对无人机的六个方向的障碍物进行测距，通过回波接收时间解算与障碍物之间的距离，再分别控制六个机臂上的六个电子调速计来调整六个电机转速，从而调整每一个机臂的升力，进行紧急避障，控制六旋翼无人机悬停、后退、旋转或者左右飞行，避免无人机不会碰撞障碍物导致飞机失控坠毁。

该装置采用器件成本低廉，各种数据之间换算原理简单，易于实现和普及，并且不受环境光线的影响，对于较远障碍物能够快速识别，对较近障碍物也能有效避让，避免了无人机在巡线过程中由于GPS存在误差，导致偏离预定航向，在经过交跨线时造成与输电线路发生碰撞、摔机，提高了巡线维护的安全性和效率。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。