输电线路感应取能系统的制作方法

本发明涉及一种输电线路感应取能系统，属于电力电子。

背景技术：

1、近年来电力物联网概念不断丰富，输电线路的巡检监测成为国家电力行业发展的一个新方向，架空输电线路里程不断增加，人均运维长度逐年增加，现有依靠人工沿线步行或者借助交通工具、使用望远镜和红外热像仪对线路设备检测效率问题仍然突出，现代化电网建设急需先进、科学且高效的输电线路巡检方式，无人机因其携带方便、起落受环境影响较低等优点已被广泛应用于电力巡检领域，无人机应用于电力巡检任务时，不受地形限制，其机载的高清摄像模块装置可对架空输电线路产生的故障进行在线实时定位与监测，地面工作人员可根据传回的信息对输电线路进行故障排查与维护，提高了巡线作业人员的安全性且比传统人力巡检效率显著提高，但受小型无人机发展技术和电池能量密度技术尚未重大革新的限制，无人机的负载状况和续航时间极其有限，为了控制功耗与重量，当前技术水平下，无人机只有半小时左右的工作时间，通过增加电池总容量的同时会增加机身重量，从而导致功耗的提升，当电池总量增加到一定值后，对于续航时间的提升必然开始减弱，这也丧失其方便、高效的优势，无法从根本上解决无人机长时间电力巡线电力不足的问题，在输电线路建设无人机补能基站，其露天环境对充电装置危害较大，易产生安全隐患。

2、续航能力是决定无人机巡检模式的重要因素，无线充电技术可以有效地解决上述问题，目前，输电线路上常用的供能方式主要有以下四种：第一种是利用太阳能无线充电技术，在无人机上搭载大面积太阳能充电板实现高效率光电转换，如“彩虹”太阳能无人机，以其上安装的太阳板进行光电转换为动力系统、机载设备以及蓄电池提供电能，该方案需要机身大面积安装太阳能充电板，不适用于小型无人机；第二种是在无人机上安装激光接收器，地面的跟踪瞄准与伺服转台系统在无人机滞空时进行激光补给，利用激光天线无线能量为无人机系统供能，此技术整体能量转换效率不高且对空气净度要求较高；第三种是电容分压功能，应用于输电线路取能，存在很多不足，主要是输出功率有限，并且稳定性差；第四种在无人机上安装感应取能装置，利用输电线路周围的磁场，通过电磁感应原理经整流稳压后获取稳定的电能。感应取能装置体积小，安装方便，巡检时可实现实时持续供能。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中，但受小型无人机发展技术和电池能量密度技术尚未重大革新的限制，无人机的负载状况和续航时间极其有限。为了控制功耗与重量，当前技术水平下，无人机只有半小时左右的工作时间。通过增加电池总容量的同时会增加机身重量，从而导致功耗的提升的问题，而提出的一种输电线路感应取能系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种输电线路感应取能系统，包括耦合线圈、充电管理模块、定位导航模块、视觉对接模块、蓝牙模块和主控模块，所述主控模块为无人机的主要控制单元，且各个所述模块之间电性连接，且所述定位导航模块包括关系检测单元、三轴磁力计和gps模块，且所述关系检测单元、三轴磁力计和gps模块与主控模块之间电性连接，所述视觉对接模块包括摄像头模块、从处理器和超声波测距模块，各个所述模块之间电路排布采用h型耦合铜线圈将输电线路附近的电磁波转化为感应电流。

3、优选的，所述电路上的导线电流的工频时变磁场在线路周围产生涡旋电场。

4、优选的，所述充电管理模块通过反馈调制pwm波的方式进行充电管理。

5、优选的，所述线圈采用双极性线圈结构，且所述接收线圈沿着起落架的框架绕制。

6、优选的，所述主控模块的主控芯片选用stm32f427vgt6，所述主控模块闪存为2mb，所述主控模块通过pb10、pb11两个管脚与定位导航模块中的各个传感器连接，所述主控模块上pa0、pa1两个管脚与定位导航模块连接，所述主控模块pc10、pc11两个管脚与蓝牙模块连接，所述主控模块上pd8～pd15与视觉对接主控单元组成并行数据传输口传输数据信号。

7、优选的，所述电池管理模块中设置有c22滤波电容进行滤波。

8、优选的，所述装置的电调电机额定工作电压是16v，且所述装置内设有4块锂电池供电，在供电期间电压会在16v上下波动。

9、优选的，所述主控芯片会根据电池管理模块测定的电池电压对其进行充电。

10、该输电线路感应取能系统，采用stm32f427vgt6单片机处理器作为中央处理分析及控制部件，其主要包括充电管理模块、定位导航模块、视觉对接模块、蓝牙模块。其中充电控制模块主要工作是控制无人机的充电状况，保障其充电速度和电压稳定性，防止损坏装置和其内部芯片；定位导航模块主要通过多类型传感器，通过计算反馈数据，精准地反馈位置信息与各类天气信息；视觉对接模块则通过目标识别以及高度测量来实现精准降落；蓝牙模块则是负责各检测信息与图像的传输和多设备间的无线通信，蓝牙模块依据其自带装置，在此不做任何设计。在发明中，主控芯片通过接受高清摄像模块与导航定位模块发送的各种飞行数据，并将数据传输给飞控系统后，对图像、高度、风速风向等多种数据处理，控制各电机转速，使机身稳定地沿架空输电线路外侧感应取能。

11、本发明的感应取电方法，是在利用线路涡旋感应无线取能传输技术的基础上，针对传统的耦合线圈耦合强度较弱、传输功率较低等方面进行优化改进，设计一种新型的线圈结构，从而在保持机身安全稳定的情况下达到高效补能的目的。同时，基于无人机真实户外巡检电量状况，设计无人机自主巡航无线充电系统，在此基础上，设计电力巡线无人机自主无线充电系统，实现无人机的动态电能补给，增加其巡检范围。

12、(1)涡旋感应取能原理

13、导线电流的工频时变磁场在线路周围产生涡旋电场，相比较于静电场，其在线路附近的任何空间内的闭合回路都可以进行电磁感应，从而产生电流。尽管其强较小，但无人机通过长距离的输电线路补能时，仍可产生足够的职能功率，进而满足无人机正常工作所需的功耗。

14、涡旋电场在空间的任何闭合回路中通常都会激发出感应电动势并产生电流，因此，将串入一个空间的闭合回路中就会有电流流过，从而实现取能。利用法拉第电磁感应定律，可以计算其感应电动势e，如下式：

15、

16、通过该式，若闭合回路平行磁场方向和磁力线方向，将不可能产生感应电动势，也无法激发感应电流。

17、在实际应用中，架空线路、地线等都可以作为闭合回路为无人机提供感应电势。当架空线路的导线有电流流过时，就可以在导线周围激发出涡旋电场，由于导线的电流较大，可以轻松地达到较高的职能功率，涡旋电场仅仅对其产生略微的影响，属于高电位取能，国内应用较少。由于无人机的正常工作功率很小，约为10瓦左右，而电池承受不住较大的电压容易发热、鼓包甚至爆炸，具有严重的安全隐患。因此我们可以以地线作为闭合回路的导线，虽然取能功率较低，但由于输电线路距离较大，可以实现无人机的补能需求，也可根据取能功率的要求，调节地线回路档距。同时，大部分的监测设备安装在的电位架构上，也方便其监测巡视。取能采用在地线所处闭合回路中串联取能负载或者在地线上串联多匝式ct(一次侧)和取能负载与ct二次侧连接等方式来达到取能目的。

18、(2)耦合线圈原理

19、本项目在利用线路涡旋感应无线取能传输技术的基础上，针对传统的耦合线圈耦合强度较弱、传输功率较低等方面进行优化改进，设计一种新型的线圈结构，从而在保持机身安全稳定的情况下达到高效补能的目的。同时，基于无人机真实户外巡检电量状况，设计无人机自主巡航无线充电系统，在此基础上，设计电力巡线无人机自主无线充电系统，实现无人机的动态电能补给，增加其巡检范围。

20、为了提高能量的传输效率，在耦合机构的设计过程中，主要着重考虑了线圈结构、耦合机构绕制方式和磁芯配置情况。

21、不同的线圈结构具有不同的耦合系数，其对耦合机构的整体性能起着至关重要的作用。本次设计针对目前主流无人机的外形设计，选用h型线圈结构，其抗偏移能力较好，传输效率约为90％，功率较低但满足无人机补能需求。

22、线圈材料对耦合机构的传输性能亦起到非常关键的作用。首先，选用承载电流能力优越的铜线圈进行绕制，但其发热较为严重且重量较重，较为影响无人机飞行性能，其次选用的磁导率较高、重量轻且温度稳定性好的铁氧体材料，以其绕制线圈后，整体的能量传输效率得到提高而且发热状况得到显著改善。线圈按照矩形平面结构配置。在工作频率确定的情况下，线圈电感越大，传输功率越大；线圈品质因数越大，线圈损耗越小，传输效率越高。

23、本发明具有积极的效果：：

24、(1)本发明利用输电线路附近产生的磁场对巡检无人机进行充电。此供能方式方便，较其他供能方式更稳定，价格更加低廉。

25、(2)本发明采用处理器及无人机管理模块器件均为电子材料市场中最常见器件和器材，既能够实现巡检无人机自主无线充放电，又保证装置制作生产选材方便，制作容易。

26、(3)本发明一种交叉型磁场耦合机构线圈结构，具有质量轻、对无人机结构适应性强的优势，增大了耦合面积，可广泛应用于多种充电场合。