無人機飛控系統(tǒng)在高壓電磁場中的抗干擾技術(shù)研究

魯 杰，侯力楓，寧 巖，劉明輝，李 壯，范士清，柴振華

（國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德067000）

0 引言

隨著架空輸電線路的不斷發(fā)展，線路覆蓋區(qū)域越來越廣，超高壓和特高壓線路建設(shè)越來越多，大大增加了線路運維的工作量。為了保證線路的安全穩(wěn)定運行，開展有效的巡視成為發(fā)現(xiàn)線路隱患的必要方式，目前，無人機的大量投入，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)人工巡視的不足［1-3］。通過大量的運維經(jīng)驗可以知道，當無人機接近線路時，由于電磁場的作用，影響了無人機的飛行性能，尤其是無人機巡檢高壓輸電線路過程中，能明顯發(fā)現(xiàn)飛機失控，被線路牽引，輕輕回拉遙控手柄，飛機無法響應(yīng)，需加大動力才可脫離電磁場干擾區(qū)域［4-6］。初步可以判斷，這是由于電磁場對無人機操控性能的影響，針對這種問題，如何實現(xiàn)無人機飛控系統(tǒng)在高壓電磁場中抗干擾技術(shù)，成為輸電線路運維工作重點探索的方向［7-9］。

在線路附近進行無人機巡視工作過程中，無人機巡檢系統(tǒng)的操控性明顯降低，影響作業(yè)安全，特別是在高壓線路附近時，此現(xiàn)象更為明顯，嚴重時發(fā)生無人機突發(fā)失控，導致墜落的事故。目前，針對不同電壓等級的輸電線路，巡檢作業(yè)的最小安全距離沒有進行有效驗證，對不同環(huán)境下，無人機任務(wù)設(shè)備的作業(yè)技術(shù)條件、巡檢系統(tǒng)操控響應(yīng)性能等要求不明確，從而影響無人機巡檢安全策略的制定［10-12］。

1 輸電線路電磁場分析

輸電線路電暈放電形成的輻射電場呈現(xiàn)脈沖形式，對線路周圍電磁場進行干擾，有時甚至會產(chǎn)生電暈振動，其振動的動力響應(yīng)振幅大、頻率低且偶然性大，電壓等級越高以上問題越明顯，并且直流輸電工程還存在離子流，同時，如果周圍存在一定的干擾信號，對于無人機巡檢系統(tǒng)具有一定的影響，這是由于無人機通過機體結(jié)構(gòu)件、飛控模塊、動力控制模塊、驅(qū)動模塊、GPS、IMU、電機、通訊模塊及載荷（可見光、紅外）等集成而成，系統(tǒng)涉及到較多電子元器件、電源及信號線路，容易受到以上干擾影響。尤其在臨近線路巡檢工作時，可能發(fā)生傳輸中斷、丟包等現(xiàn)象，如果干擾信號不強烈，可能引起操控性能減弱；如果干擾信號強烈，可能造成飛行失控的故障［13-15］。

無人機巡檢系統(tǒng)材質(zhì)和結(jié)構(gòu)多樣、尺寸從0.8 m～2 m不等，由于無人機巡檢過程中，搭載的設(shè)備只有盡量靠近線路，采集的信息才能更準確，特別是中相導線，為了獲得更加準確的數(shù)據(jù)，無人機需要穿越邊相導線，對線路安全運行存在不同程度的影響?，F(xiàn)階段國內(nèi)外均缺乏無人機巡檢系統(tǒng)對線路電氣安全性能影響程度的數(shù)據(jù)，無法掌握不同結(jié)構(gòu)、尺寸和材料的無人機巡檢作業(yè)時應(yīng)保持的最小安全距離要求，因此需要研究不同等級運行電壓對小型多旋翼無人機影響，在此基礎(chǔ)上結(jié)合無人機的安全和操控響應(yīng)性能要求，考慮任務(wù)設(shè)備技術(shù)性能，得到巡檢作業(yè)安全距離，在保證巡檢安全性的基礎(chǔ)上對作業(yè)方式進行優(yōu)化。

1.1 輸電線路周圍的電場

線路運行過程中，離線路越近，產(chǎn)生的電場越集中，電位分布和對地距離的關(guān)系為指數(shù)衰減關(guān)系，如圖1所示。在圖1中，UN代表線路的對地電壓；h代表線路對地高度；Δh代表單位距離。而且電場強度受對地距離的影響，依據(jù)距離的倒數(shù)快速減小，如圖2所示。并且依據(jù)線路的設(shè)計要求，線路在地面投影范圍內(nèi)，人體所受的電場強度不能超過4 kV/m。通常輸電線路附近的電場，由于樹木或者建筑物的存在，引起一定的畸變，當無人機接近輸電線路時，便會在無人機周圍出現(xiàn)較強的畸變電場。

圖1 電位分布和對地距離的關(guān)系Fig.1 Relationship between potential distribution and distance to ground

圖2 鄰近高壓輸電線路的地面場強分布Fig.2 Ground field intensity distribution adjacent to high-voltage transmission lines

1.2 輸電線路周圍的磁場

輸電線路運行過程中，由于電流的作用，其電場時時處于變化之中，那么形成的磁場也一直處于變化的狀態(tài)。磁感應(yīng)強度受導線距離的影響，隨著物體離線路距離越大，形成的磁感應(yīng)強度越小。通常磁場和離線路距離的平方呈倒數(shù)衰減關(guān)系，因此，無人機離導線越近，受到的磁場強度越大。其中，磁場強度B和磁感應(yīng)強度H關(guān)系如下：

在式（1）中，μ取決于周圍空間介質(zhì)的磁導率；μ0為真空狀態(tài)下的磁導率，為常數(shù)4π×10-7Wb/Am；μr是相對真空磁導率的倍數(shù)，通?？梢砸暈槌?shù)1。于是，有：

2 電磁抗擾度試驗

電磁干擾是電力系統(tǒng)輸電線路對環(huán)境的固有干擾，無論何種等級的交、直流電壓，只要運行，一定會產(chǎn)生電磁輻射，對周邊物體形成干擾。目前，各個國家和組織對電磁場的暴露限制均有明確約定，一般以ICNIRP導則為準。該導則規(guī)定：公眾環(huán)境下的電場強度暴露限值為10 kV/m，磁場強度暴露限值為100μT。具體到電力行業(yè)，無論是人工巡檢還是無人機巡檢，均會受到電磁輻射。若為人工巡檢，當進入輸電線路一定范圍內(nèi)時，電場強度遠遠超標，必須采取相應(yīng)屏蔽措施，方可保證作業(yè)人員安全；若采用無人機巡檢，目前還無法做到有效屏蔽，因而在近距離作業(yè)時，更需嚴格遵守安全作業(yè)距離。研究無人機巡檢安全作業(yè)距離，首先需研究無人機電子元器件的抗電磁干擾性能。

根據(jù)現(xiàn)行標準《GB/T 17626電磁兼容試驗和測量技術(shù)系列標準》電磁抗擾度試驗需要做4類內(nèi)容檢測，分別為工頻磁場抗擾度檢測、脈沖磁場抗擾度檢測、靜電放電抗擾度檢測與射頻電磁場輻射抗擾度檢測。

根據(jù)試驗樣品的功能喪失或性能降低程度，試驗結(jié)果分為A、B、C、D四個等級。試驗樣品功能喪失或性能降低包括：

1）測控信號傳輸中斷或丟失；

2）無人機對操控信號無響應(yīng)或飛行控制性能降低；

3）影像傳輸中斷或出現(xiàn)遲滯、馬賽克、雪花、條紋、重影等現(xiàn)象；

4）任務(wù)設(shè)備對操控信號無響應(yīng)或轉(zhuǎn)動、拍攝等控制性能降低；

5）其他功能的喪失或性能的降低。

試驗結(jié)果A、B、C、D四個等級劃分標準為：

a）A級：各項功能和性能正常。

b）B級：未出現(xiàn)1）和2）中所列現(xiàn)象。出現(xiàn)3）、4）和5）中任意現(xiàn)象，且干擾停止后可在2 min（含）內(nèi)自行恢復，無需操作人員干預。

c）C級：未出現(xiàn)1）和2）中所列現(xiàn)象。出現(xiàn)3）、4）和5）中任意現(xiàn)象，且干擾停止2 min后依然無法穩(wěn)定運行，通過復位或者再次啟動，才能穩(wěn)定運行。

d）D級：出現(xiàn)1）和2）中任意現(xiàn)象；或未出現(xiàn)1）和2）中所列現(xiàn)象，但出現(xiàn)3）、4）和5）中任意現(xiàn)象，且因硬件或軟件損壞、數(shù)據(jù)丟失等原因不能恢復。

2.1 射頻電磁場輻射抗擾度試驗

射頻電磁場輻射抗擾度試驗主要考核輸電線路巡檢用無人機在遭受有意的（如運行維修人員的手持式無線電收發(fā)機、各種工業(yè)電磁源等）或無意的（感性負載操作等產(chǎn)生的）電磁輻射時的抗擾度性能。

射頻電磁場輻射抗擾度試驗布置如下：將三軸運動測量臺布置在電波暗室內(nèi)合適位置，將搭載了任務(wù)設(shè)備的無人機安裝于三軸運動測量臺上并固定牢靠，無人機任意部位與電波暗室壁的距離不小于1 m；將遙控手柄與地面站放置在電波暗室內(nèi)合適位置，并且能夠為地面站提供電源，使它們維持待機運行。同時，相同型號遙控手柄與地面站放置在電波暗室外，能夠從電波暗室外操作無人機。試驗使用的射頻電磁場信號強度為10 V/m，并用1 kHz的正弦波對信號進行80%的幅度調(diào)制。其他參數(shù)分別為檢測頻率可以實現(xiàn)8.0×107Hz～2×109Hz，檢測步長設(shè)置為0.01，駐留時間設(shè)置為1 s。

射頻電磁場輻射抗擾度試驗方法如下：將無人機自檢，處于待機工作狀態(tài)，距無人機3 m處將對數(shù)周期天線布置在垂直極化位置，并使試驗樣品的正面（機頭所在面）與校準場平面相重合；關(guān)閉電波暗室門，進行射頻電磁場掃描，掃描過程中，通過電波暗室外相同型號遙控手柄與地面站操作無人機工作，在三軸運動測量臺上，無人機可以升高的高度超過1.0 m，半徑超過1.5 m。而且，無人機搭載的裝置可以實現(xiàn)各個方向轉(zhuǎn)動，完成拍照功能，觀察并記錄各掃描頻率范圍內(nèi)試驗樣品各項功能和性能變化情況；當把電波暗室門打開后，檢測遙控手柄與地面站是否為正常待機狀態(tài)，同時，無人機是否處于正常狀態(tài)；如果所有裝置的狀態(tài)均處于正常，將對數(shù)周期天線由垂直極化位置改為水平極化位置，重復以上步驟進行試驗。射頻電磁場輻射抗擾度試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 射頻電磁場輻射抗擾度試驗Fig.3 Radio frequency electromagnetic field radiation immunity test

2.2 靜電放電抗擾度試驗

該檢測的目的是分析無人機巡檢線路過程中，當受到操作者或者相鄰物體靜電的影響時，具備的抗擾度特點。

靜電放電抗擾度試驗布置如下：將0.8 m高的木質(zhì)試驗臺放置在與試驗室安全接地系統(tǒng)相連接的接地（參考）平面上，在試驗臺上合適位置放置水平耦合板，在耦合板上放置0.5 mm厚的絕緣墊，將無人機放置在絕緣墊上，并按正常工作要求進行布置和接線，處于待機工作狀態(tài)；無人機以及連接電纜等通過絕緣墊與水平耦合板隔開，與水平耦合板各邊距離不小于0.1 m，與試驗室墻壁以及其他金屬結(jié)構(gòu)之間的距離不小于1 m；將尺寸為0.5 m×0.5 m的垂直耦合板布置在絕緣墊上，與無人機正面（機頭所在面）平行，距離為0.1 m；將靜電放電槍的放電回路電纜與接地（參考）平面相連接，通過專用電纜（兩端各有1個470 kΩ的電阻）將水平耦合板與接地（參考）平面連接。

靜電放電抗擾度試驗方法如下：在垂直耦合板上選取均勻分布的10個放電點，將靜電放電槍依次接觸各個放電點進行接觸放電試驗，期間觀察并記錄試驗樣品各項功能和性能變化情況，在每個放電點放電時，電壓幅值為8 kV，正、負極性各進行10次，每次放電間隔時間不小于1 s；將靜電放電槍依次靠近各個放電點進行空氣放電試驗，期間觀察并記錄試驗樣品各項功能和性能變化情況。在每個放電點放電時，電壓幅值為15 kV，正、負極性各進行10次，每次放電間隔時間不小于1 s；沿順時針（或逆時針）將無人機水平旋轉(zhuǎn)90°，重復以上步驟，直至試驗樣品的四個面均進行了靜電放電試驗。靜電放電抗擾度試驗現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 靜電放電抗擾度試驗Fig.4 Electrostatic discharge immunity test

2.3 脈沖磁場抗擾度試驗

主要考核無人機對輸電線路運行環(huán)境的脈沖磁場的抗擾度性能。

脈沖磁場抗擾度試驗布置如下：將接地（參考）平面放置在試驗臺上，與試驗室的安全接地系統(tǒng)相連接，接地（參考）平面為0.25 mm厚的非磁性金屬板（銅或鋁），尺寸不小于1 m×1 m。在接地（參考）平面上放置0.1 m厚的絕緣墊，將無人機放置在絕緣墊上，并按正常工作要求進行布置和接線。將感應(yīng)線圈套在無人機外部合適位置，使無人機處在感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場中，脈沖磁場發(fā)生器放在距感應(yīng)線圈不超過3 m處，且一端與接地（參考）平面相連接。

脈沖磁場抗擾度試驗方法如下：將無人機自檢，處于待機工作狀態(tài)；施加峰值為1 000 A/m、波形為6.4/16μs的脈沖磁場，正、負極性各進行5次，每次間隔時間10 s。期間觀察并記錄試驗樣品各項功能和性能變化情況；將感應(yīng)線圈旋轉(zhuǎn)90°套在無人機外部合適位置，重復施加磁場信號，直至在3個互相垂直的磁場中進行試驗；將無人機放在感應(yīng)線圈外，在感應(yīng)線圈中合適位置放入遙控手柄與地面站，再次啟動上述試驗，試驗現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 脈沖磁場抗擾度試驗Fig.5 Pulse magnetic field immunity test

2.4 工頻磁場抗擾度試驗

主要考核無人機對輸電線路運行環(huán)境的工頻磁場的抗擾度性能。

工頻磁場抗擾度試驗布置如下：將接地（參考）平面放置在試驗臺上，與試驗室的安全接地系統(tǒng)相連接，接地（參考）平面為0.25 mm厚的非磁性金屬板（銅或鋁），尺寸不小于1 m×1 m。在接地（參考）平面上放置0.1 m厚的絕緣墊，將無人機放置在絕緣墊上，并按正常工作要求進行布置和接線。將感應(yīng)線圈套在無人機外部合適位置，使無人機處在感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場中，工頻磁場發(fā)生器放在距感應(yīng)線圈不超過3 m處，且一端與接地（參考）平面相連接。

工頻磁場抗擾度試驗方法如下：將無人機自檢，處于待機工作狀態(tài)；采用侵入法，施加峰值為100 A/m的工頻磁場，持續(xù)5 min，期間觀察并記錄試驗樣品各項功能和性能變化情況；再將感應(yīng)線圈旋轉(zhuǎn)90°，套在無人機外部合適位置，重復施加信號進行試驗，直至在3個互相垂直的磁場中進行試驗；將無人機放在感應(yīng)線圈外，在感應(yīng)線圈中合適位置放入遙控手柄與地面站，再次啟動上述試驗，試驗現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 工頻磁場抗擾度試驗Fig.6 Power frequency magnetic field immunity test

2.5 試驗分析

本文針對無人機巡檢系統(tǒng)開展了電磁抗干擾試驗，無人機抗電磁干擾試驗結(jié)果如表1所示。

表1 抗電磁干擾試驗結(jié)果Table 1 Anti-electromagnetic interference test results

表1中大多是目前電力系統(tǒng)巡檢作業(yè)的主要應(yīng)用機型，尺寸涵蓋了1 m至1.9 m。通過表1可以知道，試驗測試的無人機在靜電放電抗擾度、脈沖磁場抗擾度與工頻磁場抗擾度試驗方面，可以達到的水平是A。而在射頻電磁場輻射抗擾度試驗檢測時，6種無人機的天線水平極化與垂直極化可以達到的水平是A，檢測性能穩(wěn)定；2種無人機的天線水平極化與垂直極化可以達到的水平是B，在所用通訊頻段附近均出現(xiàn)不同程度的被干擾現(xiàn)象，在數(shù)傳或圖傳被干擾后，暫停掃描能自行恢復。分析其原因，射頻電磁場的頻率一般特別高，遠高于工頻，因而能量相對很大，無論是其中包含的電場能還是磁場能，均為很高量級，對應(yīng)的電場強度和磁場強度很大，對無人機的電子元器件干擾也就比較嚴重，致使其功能喪失或性能降低。需要說明的是，試驗結(jié)果為B并不會造成致命的危險，從現(xiàn)象上來說只是影響巡檢作業(yè)的精細程度，降低巡檢質(zhì)量。

3 結(jié)語

本文通過無人機的電磁場抗輻射能力試驗，試驗結(jié)果在一定程度上表明，無人機巡檢線路過程中，當受到操作者或者相鄰物體靜電的影響時，具備的抗擾度特點，對輸電線路運行環(huán)境中的脈沖磁場的抗擾度性能，以及對輸電線路運行環(huán)境中的工頻磁場的抗擾度性能均比較強，而在遭受有意的（如運行維修人員的手持式無線電收發(fā)機、各種工業(yè)電磁源等）或無意的（感性負載操作等產(chǎn)生的）電磁輻射時的抗擾度性能還有待完善，個別機型需要投入精力繼續(xù)研究，使無人機巡檢應(yīng)用安全可靠。