一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法技术

本发明专利技术针对现有电网寻线制导效率及准确性低、无法满足实际需求的突出问题，提出一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法。首先建立正交三位置磁检测结构，测出各位置磁场强度，根据测出的各位置磁场强度得出磁场磁力线方向及磁场梯度；建立探测飞行器相对惯性坐标系的运动方程，根据测得的磁力线方向及磁场梯度，建立飞行器进行电网寻线用的磁制导方法。本发明专利技术不仅能够用于电网故障检测的高精度末端制导，而且在故障电网的快速修复上也具有巨大的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法
本专利技术涉及一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法，可应用于基于电网磁场信息的末端制导。技术背景电网与人们的生活息息相关，我国目前已形成华北、东北、华东、华中、西北和南方电网共6个跨省区电网，随着电网的日益扩大，电网的日常巡检和维护的工作量也日益加大，针对高压输电线路的运行管理模式和常规作业方式，现有寻线方式有着费用高、效率低、准确性差等诸多不足，如何提高寻线制导的效率和准确性，最大限度地减小电网故障对人们正常生活的影响，是一个值得研究的问题。现有寻线制导方法主要包括基于磁检测的AGV导引方法，电磁导引头定位方法等。其中，基于磁检测的AGV导引方法虽然准确性、安全性及可靠性较高，但主要用于地面运输车辆的导引与定位，不适于高空电网寻线制导；电磁导引头定位方法利用装备有微型电磁导引头的微型飞行器，通过接收空间的电磁波来探测辐射源的位置，优点是灵活性较高，但易受周围电磁环境的影响，测量误差较大，定位不够准确，无法准确地进行电网寻线。当前磁制导方法主要包括基于磁力仪、磁强计和磁通门计等磁测量设备的检测方法，以及地磁匹配方法。其中磁测量设备虽然灵敏度较高，但是，目前的研究结果在地磁环境下，尤其是在电网近程磁环境下的测试尚不成熟，无法保证电网寻线制导的可靠性；从电网设施磁场末制导的角度看，基于地磁分布的导航技术已经由来已久，但由于地磁场模型精度较低，无法满足地磁匹配制导的要求，加上磁测量设备性能的限制，以及地磁场信息的变化，地磁制导只能作为一种导航定位方法而不适用于电网的寻线制导。在自寻的制导上，基于微弱磁场和低频磁制导方式尚属空白，在此背景下，本专利技术提出一种“沿磁场梯度飞行，自动电网设施”的电网寻线用磁制导方法，阐明基于多位置三维电子自旋共振磁场梯度探测机理，建立一种基于磁场模型和电子自旋共振磁探测的末端制导方法。本专利技术不仅能够用于电网故障检测的高精度末端制导，而且在故障电网的快速修复上也具有巨大的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：建立了电网磁力线特征建模，从地磁场等环境磁场中分离出目标磁场；针对现有电网故障的检测、修复效率慢的突出问题，提出了一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法。本专利技术的技术解决方案是：本专利技术针对现有电网寻线制导效率及准确性低、无法满足实际需求的突出问题，探索一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法。首先建立正交三位置磁检测结构，测出各位置磁场强度，根据测出的各位置磁场强度得出磁场磁力线方向及磁场梯度；建立探测飞行器相对惯性坐标系的运动方程，根据测得的磁力线方向及磁场梯度，建立飞行器进行电网寻线用的磁制导方法。本专利技术不仅能够用于电网故障检测的高精度末端制导，而且在故障电网的快速修复上也具有巨大的应用价值。具体包括以下步骤：(1)电网磁力线模式的多位置三维磁场测量要实现对某处的磁场测量，理论上只需要采用一个三轴磁传感装置即可。但是，这种测量方法无法对地磁和其他背景及干扰磁场进行分离，容易引起误导；此外，该种方法也无法实时换算出磁力线及其梯度信息。因此，本项目拟采用基于电网磁力线模式的三位置三轴量子磁传感方案，其原理示意图如图2所示。三个电子自旋共振磁传感器(A1,A2,A3)均具有三轴磁测量的能力，三传感器彼此正交安装，彼此之间的距离为d，两两配合即可实现差动测量，这样不仅可以实时高精度地测量磁力线的方向，还可得到磁力线的梯度。对于理想条件下的三轴测量探头，他们是互相垂直的，在t时刻，每个探头测得的都是磁感应强度在其轴上的分量，如图2所示，设A1、A2、A3在t时刻测得的磁场强度分别为B1(t)、B2(t)、B3(t)，根据三个磁场强度大小关系可确定磁力线的方向。确定磁力线方向后沿磁力线取两点，一点经过A1，另一点在距A1x处取，可测得t时刻两点的磁场强度之差为ΔH(t)，则由公式可实时求得磁力线的梯度。(2)基于多位置三维磁信号的制导方法根据前述定位方案，采用电磁波的自由空间传输模型，可以建立用于定位的测量方程。一般情况下，该方程为超定方程，需要用优化方法进行求解。通过测量磁源信号的强度来估计测量点与磁源间的距离，然后通过多个距离交汇对磁源进行定位。同时，采用三轴电子自旋共振磁传感器测量电网磁力线信号到达传感器的角度，根据三正交的差动安装，结合电网磁力线的分布特征，可以得到载体相对于电网的空间相对位置。在对检测飞行器制导过程中，飞行器的运动可看作飞行器质心在三维空间中的移动和绕质心的三维转动，根据固化原理，在惯性坐标中，飞行器的运动可用牛顿第二定律和动量矩定律描述，即：式中：Q为飞行器动量，∑F为外力主矢量，G为飞行器主动量矩，∑M为外力主矩，V为检测飞行器的飞行速度，为转动角速度。用末端制导方法导引时飞行器与目标之间的相对运动方程为；式中，r为检测飞行器与目标之间的相对距离，V为检测飞行器的飞行速度，VT为目标的飞行速度，q为目标线角速度，θ为检测飞行器转弯角速度。当电线完好无损情况下，其传输电流值不变，电线周围会产生一个微小的磁场，检测飞行器会通过该磁场给电网进行定位，沿电网线飞行。当电网线上某处出故障时，如短路、断路等，电网磁场会发生变化，检测飞行器上的检测装置会通过磁场变化判断故障类型，后发出信号进行故障报告。控制室根据收到的故障报告，迅速进行电网故障修复工作。本专利技术的原理是：(1)本专利技术所用的磁探头检测原理为电子自旋共振原理，电子自旋共振(ESR)是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。对于理想条件下的三轴测量探头，他们是互相垂直的，每个探头测量到的是其轴线方向上的磁场频率及磁场强度，如图3所示分别记作Bx、By、Bz。在t时刻，每个探头测得的都是磁感应强度在其轴上的分量，则Bx、By、Bz与总磁感应强度B有如下关系：Bx(t)＝B0sin(ωt)cosα(8)By(t)＝B0sin(ωt)cosβ(9)Bz(t)＝B0sin(ωt)cosγ(10)式中，α、β、γ分别是三个探头轴线方向和磁场方向的夹角，ω为磁场频率。设A1、A2、A3在t时刻测得的磁场强度分别为B1(t)、B2(t)、B3(t)，假设B1(t)>B2(t)>B3(t)，连接B1(t)和B3(t)，在两点间连线上，磁场强度的递减与距离成正比，据此可在两点间取得一点B′2(t)，使得B2(t)＝B′2(t)，连接B2(t)与B′2(t)，则与两点间连线互相垂直的方向即为磁力线的方向。确定磁力线方向后沿磁力线取两点，一点经过A1，另一点在距A1x处取，可测得t时刻两点的磁场强度之差为ΔH(t)，则由公式可实时求得磁力线的梯度。(2)在对探测飞行器制导过程中，飞行器的运动可看作是其质心在三维空间中的移动和绕质心的三维转动，根据固化原理，在惯性坐标中，探测飞行器的运动可用牛顿第二定律和动量矩定律描述，即：式中：Q为探测器动量，∑F为外力主矢量，G为探测器主动量矩，∑M为外力主矩，为转动角速度。用末端制导方法导引时探测器与目标之间的相对运动方程为；式中，r为探测器与目标之间的相对距离，V为探测器的飞行速度，VT为目标的飞行速度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术针对现有电网寻线制导效率及准确性低、无法满足实际需求的突出问题，提出一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法，首先建立正交三位置磁检测结构，测出各位置磁场强度，根据测出的各位置磁场强度得出磁场磁力线方向及磁场梯度；建立探测飞行器相对惯性坐标系的运动方程，根据测得的磁力线方向及磁场梯度，建立飞行器进行电网寻线用的磁制导方法，本专利技术不仅能够用于电网故障检测的高精度末端制导，而且在故障电网的快速修复上也具有巨大的应用价值，具体包括以下步骤：(1)电网磁力线模式的多位置三维磁场测量要实现对某处的磁场测量，理论上只需要采用一个三轴磁传感装置即可，但是，这种测量方法无法对地磁和其他背景及干扰磁场进行分离，容易引起误导，此外，该种方法也无法实时换算出磁力线及其梯度信息，因此，本项目拟采用基于电网磁力线模式的三位置三轴量子磁传感方案，三个电子自旋共振磁传感器均具有三轴磁测量的能力，且彼此正交安装，距离为d，两两配合即可实现差动测量，这样不仅可以实时高精度地测量磁力线的方向，还可得到磁力线的梯度，对于理想条件下的三轴测量探头，他们是互相垂直的，每个探头测量到的是其轴线方向上的磁场频率接磁场强度，记作B...

【技术特征摘要】
1.本发明针对现有电网寻线制导效率及准确性低、无法满足实际需求的突出问题，提出一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法，首先建立正交三位置磁检测结构，测出各位置磁场强度，根据测出的各位置磁场强度得出磁场磁力线方向及磁场梯度；建立探测飞行器相对惯性坐标系的运动方程，根据测得的磁力线方向及磁场梯度，建立飞行器进行电网寻线用的磁制导方法，本发明不仅能够用于电网故障检测的高精度末端制导，而且在故障电网的快速修复上也具有巨大的应用价值，具体包括以下步骤：(1)电网磁力线模式的多位置三维磁场测量要实现对某处的磁场测量，理论上只需要采用一个三轴磁传感装置即可，但是，这种测量方法无法对地磁和其他背景及干扰磁场进行分离，容易引起误导，此外，该种方法也无法实时换算出磁力线及其梯度信息，因此，本项目拟采用基于电网磁力线模式的三位置三轴量子磁传感方案，三个电子自旋共振磁传感器均具有三轴磁测量的能力，且彼此正交安装，距离为d，两两配合即可实现差动测量，这样不仅可以实时高精度地测量磁力线的方向，还可得到磁力线的梯度，对于理想条件下的三轴测量探头，他们是互相垂直的，每个探头测量到的是其轴线方向上的磁场频率接磁场强度，记作Bx、By、Bz，在t时总磁感应强度B可表示为：设三位置A1、A2、A3在t时刻测得的磁场强度分别为B1(t)、B2(t)、B3(t)，根据三个磁场强度大小关系可确定磁力线的方向，确定磁力线方向后沿磁力线取两点，一点经过A1，另一点在距A1x处取，可测得t时刻两点的磁场强度之差为ΔH(t)，则可实时求得磁力线梯度如下：(2)基于多位置三维磁信号的制导方法根据前述定位方案，采用电磁波的自由空间传输...

【专利技术属性】
技术研发人员：任元，吕永申，董海峰，苗继松，姚静波，陈晓岑，
申请(专利权)人：中国人民解放军装备学院，
类型：发明
国别省市：北京,11