基于無人機平臺的抗電磁干擾技術研究與探討

李博 董軍 陳睿 覃思翔 趙偉 吳昊

【摘 要】近些年，隨著城市用電量的逐漸增多，高壓輸電線路開始陸續被引入城區。由于高壓輸電線路的工作頻率為50Hz，因此在輸電線路和變電站周圍產生工頻電磁場。目前，電磁場無處不在，與人們的生活和工作息息相關，并且遠離不了電磁場，尤其是城市附近的高壓架空線路，這些電磁給人們的健康帶來了一定的干擾。本文主要結合多旋翼無人機系統，對抗電磁干擾技術進行深入地研究與探討。

【關鍵詞】多旋翼；無人機平臺；抗電磁干擾技術

0引言

隨著人們對環保問題的日益關注和環保意識的不斷增強，從安全角度考慮，這就要求人們對電磁場有更加深入的認知。電磁場對處在場中的人的健康造成影響，還會產生生態效應。同時，高壓輸電線路產生的電磁污染對城區居民生活的影響，如何防護電磁污染，防止電磁干擾，是電力企業需要關注的一個重要課題。通過多旋翼無人機對高壓輸電線路電磁場強度進行測試，可以有效地達到抗干擾的效果。

1輸電線路現有條件和要求

高壓輸電線路通常是指35KV機以上的架空輸電線路，是連接發電廠和變電站的重要設備。由于高壓輸電線路規模龐大、環境復雜而且帶大負荷符合運行等情況。輸電線路的條件和要求有以下幾點：

1.1目標小

高壓輸電線路中，多旋翼無人機測試的目標主要是輸電桿塔中的多種金具，包括延長環、掛板及銷子等。這些金具和輸電桿塔比較，大多數都是體型小，長度在幾厘米到十幾厘米之間，目標比較小，很難發現其缺陷。

1.2 數量多

隨著人們對用電量的不斷增加，電網建設進程不斷加快，需要進行測試和檢修的桿塔數量越來越多，從而增加了多旋翼無人機的檢測工作量。

1.3距離遠

作為連接發電廠與變電站之間及變電站與變電站之間的重要電力設施，通常情況下，輸電線路長度比較長，尤其是隨著特高壓交流、直流輸電的發展，單條輸電線路的長度已經達到幾千公里。為了降低建設成本，各桿塔之間的距離設置均比較大，根據相關資料可知，220kv及以上線路檔距大部分在300m以上，跨江、跨河等大跨越線路更可達幾千米。

1.4環境復雜

由于我國人口眾多，用地緊張，民事協調難度大等情況，新建設的高壓輸電線路大部分都是在郊區、丘陵、山地等地形復雜的地方，尤其是南方地區，輸電線路穿梭在崇山峻嶺中，給輸電線路的巡檢工作增加很大的難度。

1.5電磁影響大

高壓輸電線路都具有電壓高、電流大的特征，并且輸電線路都是裸導線，周圍存在較強的電磁場，這對輸電線路使用多旋翼無人機的電磁屏蔽和抗干擾能力提出了更高的要求。

2多旋翼無人機的動力組件

多旋翼無人機是一種帶有多片正反槳葉的旋翼類新型飛行器，不同于傳統的旋翼類直升機，其通過自身正反旋翼的氣動力學特點，即可抵消飛行過程中的偏航扭矩，簡化了機械結構，提高了氣動效率。在給飛行器提供升力的同時，通過正反旋翼轉速的調整就能夠實現飛行器自由度的運動，出色的垂直起降、定點懸停性能、快速機動、間接便利的操作性能，使多旋翼無人機在輸電線路中有著良好的發展前景。

飛行器本體以碳釬維為主材料，動力組件包括直流無刷電機、電機調速器、槳葉。為使飛行器可以長航，多航次進行巡檢任務，配備了高能鋰聚合物電池，較高的放電性能能夠充分滿足電機的轉速需求，滿足了多旋翼無人機在大風環境下懸停穩定性和操作性要求。

3多旋翼無人機測試的重要性

如今高壓及特高壓輸電線路所產生的工頻電磁場會給人們造成很大的心理壓力，因此這就需要對高壓輸電線路所產生的工頻磁場進行一個相對準確的測量，確保其與國家頒布的安全距離的安全值相對應。

目前常用的測量方法是人工測量法。測量地點應選在地勢平坦、遠離樹木、沒有其他電力線路的空地上。測量儀表應架設在地面上1～2m的位置，一般情況下選1.5m，也可根據需要在其他高度測量，測量報告清楚地表明。測量人員或其他物體必須距離測量探頭2.5m以外。工頻磁場測量時為了避免擾亂磁場，磁性材料或非磁性導電的物體到測量點的距離，至少應是該物體最大尺寸的三倍，不小于1m。同時，為了避免通過測量儀表的支架泄露電流，工頻磁場測量時環境溫度應在80%一下。在特定的時間、地點和氣象條件下，若儀表讀數是穩定的，測量讀書為穩定時的儀表讀數。若儀表讀數是波動的，應每1min讀一個數，取5min的平均值為測量讀數。除測量數據以外，對于輸電線路應記錄導線排列情況、導線高度、相間距離、導線型號以及導線分裂數、線路電壓、電流等線路參數。

經上述可知，人工測量存在著很多的不足，最主要的是個體完全暴露在工頻磁場中，在未知磁場強度的情況下，測量時個體的人身安全往往處于危險之中，受到很大的磁場干擾和輻射，而多旋翼無人機剛好可以彌補人工測量的缺點。多旋翼無人機系統對高壓輸電線路電磁場強的測試尤為重要。

4基于多旋翼無人機平臺的抗電磁干擾技術

4.1多旋翼無人機的選擇及組成

基于自研飛控的高壓輸電線路電磁場強測試方案，采用ZW-2H880六旋翼無人機系統。該系統主要由ZW-2H880六旋翼無人機平臺、微型兩軸云臺、機載電磁場測試儀、磁力計單元、數據鏈和便捷地面站等組成。ZW-2H880六旋翼無人機示意圖如圖1所示，其系統設計指標見表1.

4.2 抗電磁干擾方案

本文通過六旋翼無人機對電磁場強測試，測量出高壓輸電線路場強的閾值，若若測量值高于閾值，就會發出報警指令，以此達到抗電磁干擾的目標。

磁場干擾是指由于具有磁性物質或者可以影響局部磁場強度的物質存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場發生偏差，如圖2所示，在磁傳感器的XYZ坐標系中，綠色的圓表示地球磁場矢量繞Z軸圓周轉動過程中在XY平面內的投影軌跡，在沒有任何磁場干擾情況下，此軌跡將會是一個標準的以O（0，0）為中心的圓。當存在外界磁場干擾的情況時，測量得到的磁場強度矢量α將為該點地球磁場β與干擾磁場γ的矢量和。

α測量值=β地球磁場+γ干擾

一般情況下，干擾磁場γ在該點可以視為一個恒定的矢量，有很多因素可以造成磁場干擾，如擺放在電路板上的馬達和喇叭，還有含有鐵鎳鈷等金屬的材料如屏蔽罩，螺絲，電阻，LCD背板以及外殼等。同樣根據安培定律有電流通過的導線也會產生磁場，如圖3所示。

地球磁場在某一具體區域內其模值可視為恒定的，對于已校準的磁力計，當干擾磁場γ=0時，可得到地球磁場β，因此高壓輸電線路的磁場強度等于：

γ干擾=α測量值-β地球磁場

當閾值γ干擾<α測量值-β地球磁場，就會發出報警信號，六旋翼無人機就會懸停，等待下一步指令，避免無人機受到磁場強度的干擾。

結語

綜上所述，高壓輸電線路在運作時會產生工頻磁場強，若不采取抗電磁干擾技術進行規避，就會影響到人們的生活與工作。本文通過多旋翼無人機對高壓輸電線路的電磁場強進行測試，得出安全距離的閾值，若磁場強度大于干擾閾值，就會發出報警提示，無人機處于懸停狀態，以此達到抗電磁干擾的目的。

（作者單位：南方電網超高壓輸電公司天生橋局）