本发明属于无人机应用领域，尤其涉及无人机避撞架空交流电力线路的预警方法。
背景技术：
当前中小型民用无人机发展迅猛，尤其是多旋翼无人机，具有体积小、重量轻、操作简单等优势，在电力巡检、航拍、农业、植保、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘等专业领域得到广泛应用。与此同时，消费级无人机市场也在迅速扩张，越来越多的普通人也开始走进无人机世界。
随着无人机应用的增加，无人机飞行安全问题日益突出。近年来，关于无人机碰撞架空电力线路引发事故的报道屡有出现，轻者无人机损坏、重则导致线路跳闸电力供应中断。
尽管现在已有一些无人机避障措施，但是电力线路为细线状，且空间走向多变，常规的无人机视觉、微波、红外等技术难以准确识别。采用现有技术大幅增加成本以提高识别精度，只能满足部分特殊用途无人机的需求，并且识别算法的复杂度增加，会延长识别所需的时间。因此急需一种新方法，能够使无人机智能、快速、准确地识别架空电力线路从而及时提示避让；同时还要考虑有效控制成本，满足各类用途无人机避撞架空电力线路的需求。
已有研究表明，带电运行的交流输电线路会在其周围空间产生工频电场，电场强度与运行电压等级、测量点和线路的距离有关，可将电场信息作为靠近带电设备的指示信息。目前已有科技论文或专利提出基于电场测量进行无人机巡线避障，但其应用仅限于电力部门专用的巡线无人机，这是因为：用于避障的评估算法需要预先知道线路电压等级、线路布置结构、无人机靠近电力线路时的飞行航线等，根据上述条件仿真计算得到邻近电力线路的空间电场分布并分析其特征，然后与测量所得电场强度数值或者相应的变化参数进行比较，从而判断是否发出防撞预警。
这些要求导致其应用针对性太强，不适用于非电力巡线无人机。因为用于航拍、航测、运输等的无人机在远距离飞行过程中，不可能预先知晓所靠近的电力线路的具体信息，以及无人机飞行航线与线路的结构关系。
针对各类用途的无人机提出一种具有通用性的评测方法，使其在接近架空交流电力线路的过程中获得渐进式预警信号，从而避免撞击事故发生。
为实现本专利目标，需要解决以下几个技术难点：
(1)在无法预知无人机以何种方式靠近何种电压等级和结构类型电力线路的条件下，需要提出一种具有通用性的评测方法、制定一套合理的判据，在无人机与电力线路的距离已进入危险区时启动预警。
(2)提出与避障预警策略相契合的实时动态电场测量和数据存储方案。
技术实现要素：
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种能够使无人机智能、快速、准确地识别架空电力线路从而及时避让的无人机避撞架空交流电力线路的预警方法。本发明的技术方案如下：
一种无人机避撞架空交流电力线路的预警方法，其包括以下步骤：
无人机在飞行过程中，按照本发明提出的动态测量方案实时测量飞行路径上的工频电场强度，并采用三层递进式判断策略进行以下判断：首先，判断无人机周围是否存在电力线路；其次，判断无人机是否正在逐步靠近电力线路；再次，判断无人机与电力线路的距离是否已进入危险区，若进入危险区则启动预警，发出避让命令。
进一步的，所述判断无人机周围是否存在电力线路是通过机载工频电场测量装置实时测量获得的电场强度ei值大小来判断，若实时测量的ei>e0，e0表示电场强度阈值，则表明无人机周围存在电力设施。
进一步的，所述电场强度阈值e0＝50v/m，
进一步的，所述判断无人机是否正在逐步靠近电力线路具体包括：
首先定义一个参数：电场强度环比变化率k(％)
式中，ei+1、ei分别表示第i+1次、第i次测量得到的电场强度值；
对于连续采集的4个e值数据以及在此基础上计算出来的3个k值，如果满足以下条件则可认为无人机正在逐步靠近电力线路：
进一步的，所述判断无人机与电力线路的距离是否已进入危险区，若进入危险区则启动预警，具体包括：通过ki值进行判断，其中
ki≥3，发出“异常”级别的预警；
ki≥4，发出“警告”级别的预警；
ki≥6，发出“危险”级别的预警。
进一步的，
所述动态实时电场测量方案为连续采集4个e值数据ei-2、ei-1、ei、ei+1，其采集频率为n＝2v，v是从飞行控制系统中读取的无人机飞行速度；将4个e值存储在单片机存储器中，根据这4个e值计算得到3个对应的k值ki-2、ki-1、ki并存储；当采集到1个新的电场数据时，存储器中的4个e值和3个k值进行实时更新。
进一步的，所述无人机靠近电力线的各种情形可用3种飞行路径来概括其中路径1、路径2、路线3分别表示无人机水平靠近、由上方倾斜向下靠近、由下方倾斜向上靠近。
本发明的优点及有益效果如下：
1.提出了一种具有通用性的无人机靠近交流架空电力线路预警方法，可以在未知电力线路信息、未知无人机航线与电力线路结构关系的情况下实现“盲式”预警；
2.制定了一套有效的无人机靠近交流架空电力线路电场信息预警判据，可以根据无人机靠近电力线路的危险程度实现分级式预警；
3.提出了一种无人机动态电场测量和数据存储方案，实现无人机预警实时判断，且节省了数据存储空间，具有快速动态响应特性。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例避撞预警方法流程图；
图2无人机靠近电力线路的飞行路径示意图；
图3无人机沿多路径靠近各个电压等级电力线路时e值的变化曲线
图4无人机沿多路径靠近各个电压等级电力线路时k值的变化曲线
图5无人机靠近各种结构电力线路时e值的变化曲线
图6无人机靠近各种结构电力线路时k值的变化曲线
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
1.避撞预警判据
为了提升判断和预警的准确性，如图1所示，本专利提出了三层递进式判断策略：
①判断无人机周围是否存在电力线路；
②判断无人机是否正在逐步靠近电力线路；
③判断无人机与电力线路的距离是否已进入危险区需启预警；
对于①，可利用机载工频电场测量装置实时测量获得的电场强度e值大小来判断。因为自然空间内的工频电场强度比较微弱，只有在交流电气设施周围工频电场才会显著增大。本专利将e0＝50v/m值设为阈值，若实时测量的ei>e0，则表明无人机周围存在电力设施。
对于②，首先定义一个参数：电场强度环比变化率k(％)
式中，ei+1、ei分别表示第i+1次、第i次测量得到的电场强度值。
对于连续采集的4个e值数据以及在此基础上计算出来的3个k值，如果满足以下条件则可认为无人机正在逐步靠近电力线路：
对于③，可通过ki值进行判断，其中
ki≥3，发出“异常”级别的预警
ki≥4，发出“警告”级别的预警
ki≥6，发出“危险”级别的预警
2、机载动态电场测量与数据存储方案
考虑到要在无人机飞行过程中实时进行安全距离的判别，要求所采用的方法满足快速性、准确性；同时配合所提出的避撞预警判据，设置以下机载动态电场测量与数据存储方案：
首先，从飞行控制系统中读取无人机飞行速度v；然后确定动态电场数据采集频率n＝2v。
单片机存储器存储最近4次连续采集到的电场数据ei-2、ei-1、ei、ei+1，计算得到3个对应的k值ki-2、ki-1、ki并存储。当采集到1个新的电场数据时，存储器中的4个e值和3个k值进行实时更新。
综上所述，无人机避撞架空电力线路的预警方法流程如图1所示。
避撞预警判据的阈值设定依据
由于无法预知无人机以何种方式靠近何种电压等级和结构类型的电力线路，需要对各种情况进行分析，总结出e值和k值的变化规律。
(1)无人机沿不同路径靠近不同电压等级电力线路时的e值和k值变化规律
考虑实际可能出现的情况，设计3种无人机靠近电力线的飞行路径，如图2所示，其中路径1、路径2、路线3分别表示无人机水平靠近、由上方倾斜向下靠近、由下方倾斜向上靠近。
电力线路电压等级分别设置为10kv、66kv、110kv、220kv、500kv。计算获得无人机沿多路径靠近各个电压等级电力线路时e值和k值的变化曲线，如图3、图4所示。
由图3可以看出：
1)电力线路电压等级越高，在与边线相同距离位置上的e值越大。对于500kv线路，在距离边线30m的位置，e值约为500v/m；而对于10kv线路，在距离边线10m的位置，e值约为70v/m。兼顾各种电压等级的输电线路，将是否靠近电力线路的e值阈值设置为50v/m。
2)随着无人机与电力线路的距离缩小，无人机所处位置的e值均增大，因此可将e值增大的趋势作为无人机靠近电力线路的判断依据。
3)当无人机以3种路径靠近同一电压等级电力线路时，同一距离处的e值略有差异但并不显著，即人机飞行路径的不同不影响上述1)和2)两条结论。
由图4可以看出：
1)无论无人机以何种路径靠近何种电压等级的输电线路，同一距离处的k值趋同，由此可见所定义的k参数是个具有通用性的评价参数。
2)随着无人机与电力线路的距离缩小，无人机所处位置的k值增大。当k值为3、4、6时，无人机与边导线的距离分别大致为28m、20m、13m，对应设置为“异常”、“警告”、“危险”3个预警级别。
(2)无人机靠近不同结构电力线路时的e值和k值变化规律
以220kv架空线路为例，分别针对三导线为水平排列、三角排列、倒三角排列的单回线路以及鼓型排列的双回线路进行计算，得到e值和k值的变化曲线如图5、图6所示。
由图4可以看出：
1)在无人机与边线相同距离处，各种结构排列导线产生的e值存在差异，但是在30m位置处的e值均大于50v/m。
2)随着无人机与电力线路的距离缩小，无人机所处位置的e值均增大。
由图6可以看出：
1)随着无人机与电力线路的距离缩小，无人机所处位置的k值增大。
2)对于3种单回线路排列结构，同一距离处的k值趋同，当k值为3、4、6时，无人机与边导线的距离分别大致为27m、20m、12m，与图4所得结论一致。双回线路对应位置处的k值大于单回线路产生的值，k值为4时无人机与边导线的距离约为30m，可以理解为如果无人机靠近双回线路，会在更远距离处就发出预警信号，满足本专利提出的目标。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。