直角八字巡线机器人
近年来，将无人机应用到输电线路巡检(以下简称“巡线”)来代替传统人工巡检的方式逐渐兴起，这大大提高电力维护和检修的速度和效率，提高作业人员安全性。目前国内电网巡线应用最多的是通过巡线人员目测手动遥控来控制无人机沿输电线路飞行，无人机飞出巡线人员视距后无法对该无人机进行控制，因此现场目视操作制约了巡线的范围和效率。
目前关于无人机自主飞行控制的研究在不断展开，国外对计算机视觉在无人机巡线导航中的应用进行了研究，利用图像数据处理算法和跟踪技术，在GPS(GlobalPositioning System，全球定位系统)的辅助下实现无人机的巡线导航，得到无人机相对输电线路的位置和运动姿态。澳大利亚相关机构也开发了具有自行巡路、探测和避障功能的巡线无人机。在实际应用中，常规无人机配置有GPS定位系统，惯性测量单元(IMU)：包括三轴加速度计，三轴陀螺仪，电子罗盘等用于获取姿态信息的传感器。在电力巡线中的自主飞行轨迹辨识与控制一般通过GPS导航实现，但由于无人机常用GPS坐标精度不足、输电导线电磁场吸附引起的电磁干扰等因素，难以对无人机与输电线路的相对位置进行实时判断，因此在飞行轨迹的控制上容易产生偏差，很有可能发生无人机撞击导线坠毁的情况，严重影响巡线作业的实际效果。上述国外的相关研究均结合GPS信号和图像信号，通过高级算法进行轨迹设计，在一定程度上实现轨迹校正，都可实现不确定环境下无人机飞行轨迹的规划，达到无人机在巡线中的自主飞行控制的目的，但方法算法复杂，实时计算量大，并且实际效果受现场环境下拍摄图像质量的影响非常大。因此，在现行的无人机自主飞行的控制方法中，因GPS坐标精度和输电导线电磁场吸附引起的电磁干扰等因素带来的飞行轨迹的偏差问题还没有简单有效的解决方案。
利用输电线路电磁场、电磁环境分布与输电线路距离具有显著相关性这一特性应用在电力系统方面已有大量研究，通过对输电线路下方地面附近一定数量测点的电场强度进行的测量，反演计算得到输电线路中的电压及周围的实际电场分布，降低测量强度；根据二维输电线路的磁场到三相电流的反演，通过遗传算法进行迭代计算实现，而无人机巡线的场域反演问题与上述反演问题相比具有位置的不确定性，传感信号特殊情况下(如换相，杆塔等)的提取等困难需要解决。
问题拆分
方法先获取输电线路周围的空间电磁信号及无人机实时姿态信息，然后利用输电线路周围空间电磁信号强度与输电线路距离具有显著相关性这一特性对获取的空间电磁信号通过反演算法计算输电线路的特性参数，得到输电线路与无人机的实时相对位置信息；最后根据该实时相对位置信息及获取的无人机实时姿态信息，通过内外环双闭环的控制算法对无人机的飞行轨迹进行控制；本发明可校正无人机因GPS信号精度不足、输电线路吸附等造成的位置信息的偏差，达到无人机自主飞行控制的目的，解决了人工目测手动遥控的弊端，适应现代化电网建设与发展的需要。
问题解决
1.一种基于输电线路电磁感知的巡线无人机飞行轨迹控制方法，其特征在于，将用于测量输电线路周围空间电磁信号的电磁传感量测装置搭载在巡线无人机上，该无人机内部设有各类姿态信息传感器，根据无人机飞行速度及控制精度设置多个定位点，相邻定位点之间设置N个采样点；将无人机预期的飞行轨迹在各定位点的位置信息作为初始位置信息数据，相邻两定位点间该方法具体包括以下步骤：
1)获取输电线路周围的空间电磁信号及无人机实时姿态信息：随着巡线无人机沿输电线路飞行，通过电磁传感量测装置获取无人机所在相邻两定位点间所有采样点处输电线路周围的空间电磁信号，整条输电线路，电磁传感量测装置所采集的各采样点的空间电磁信号均为同一种类；通过各类姿态信息传感器获取无人机所在相邻两定位点的无人机实时姿态信息；
所述输电线路周围的空间电磁信号包括输电线路流过电流产生的磁场信号、输电线路上高电压产生的周围电场信号以及输电线路周围的电磁环境信号之中任一种，其中电磁环境信号包括可听噪声信号或无线电干扰信号；
2)计算输电线路与无人机的实时相对位置信息：利用输电线路周围空间电磁信号强度与输电线路距离具有显著相关性的特性，以及采用步骤1)获取到的所有采样点的空间电磁信号数据，通过反演算法计算输电线路的特性参数，得到输电线路与无人机的实时相对位置信息；
3)基于输电线路与无人机的实时相对位置信息对巡线无人机飞行轨迹进行控制：将步骤2)确定的输电线路与无人机的实时相对位置信息与无人机初始位置信息数据的偏差，通过外环的位置控制算法计算得到无人机期望姿态信息；该期望姿态信息与经过滤波处理的无人机当前姿态信息的偏差通过内环姿态控制算法计算后反馈给无人机动力系统，调整无人机姿态，实现无人机的飞行轨迹的控制；
所述输电线路周围的空间电磁信号为磁场信号，步骤2)中通过反演算法计算输电线路的特性参数具体包括以下步骤：
将无人机当前所在两相邻定位点间的输电线路简化为无限长直导线，采用站心地平直角坐标系OXYZ，该坐标系原点为选定测站，无人机GPS坐标系为大地坐标系，设导线m位于高度为h2的平行于水平面的平面S内、导线m在平面S内的方程为aX+bY+c＝0、导线m上的直流电流为I；设当前磁场强度的采样点为A1，过采样点作平面S的垂线交平面S于点W1；过点W1作导线的垂线交导线于点C1；设采样点A1的坐标为(Xr1,Yr1,Zr1)，则W1点的坐标为(Xr1,Yr1,h2)；由导线位置方程解得C1点的坐标为由此得到采样点至输电线路的法向向量
对于流过直流电流I的无限长直导线，根据该导线的电流I和由采样点与输电线路的实时相对位置关系(a,b,c)确定的通过仿真分析计算采样点的磁场强度仿真值H；
记各采样点的磁场强度实际测量值为H′i，i＝1,…,N，共计N组，每组测量值均包含X,Y,Z三个方向的数据，使所有采样点各方向的磁场强度仿真值与实际测量值的差的范数之和取得最小值时的该组a,b,c,I的值作为反演算法的结果，即为输电线路的特性参数，由该组中的a,b,c即可确定输电线路与无人机的相对位置，将反演问题简化为如下公式：
其中，Ha,b,c,I,i,j表示在某一组确定的a,b,c,I下，通过仿真分析得到的第i个采样点在j方向上的磁场强度仿真值；H′i,j表示第i个采样点在j方向上的磁场强度实际测量大小；
或者所述输电线路周围的空间电磁信号为电场信号，所述步骤2)中通过反演算法计算输电线路的特性参数具体包括以下步骤：
将无人机当前所在两相邻定位点间的输电线路简化为单相无限长直导线，采用站心地平直角坐标系OXYZ，该坐标系原点为选定测站，无人机GPS坐标系为大地坐标系，设导线m位于高度为h2的平行于水平面的平面S内、导线m在平面S内的方程为aX+bY+c＝0、导线m上的电位为U；设当前电场信号的采样点为A2，过采样点作平面S的垂线交平面S于点W2；过点W2作导线的垂线交导线于点C2；设采样点A2的坐标为(Xr2,Yr2,Zr2)，则点W2的坐标为(Xr2,Yr2,h2)；由导线位置方程解得C2点的坐标为由此得到采样点至输电线路的法向向量对于电位为U的单相无限长直导线，根据该导线上的电位U和由采样点与输电线路的实时相对位置关系(a,b,c)确定的通过仿真分析计算采样点的电场强度仿真值E；
记各采样点的电场强度实际测量值为E′i，i＝1,…,N，共计N组，每组测量值均包含X,Y,Z三个方向的数据，使所有采样点各方向的电场强度仿真值与实际测量值的差的范数之和取得最小值时的该组a,b,c,U的值作为反演算法的结果，即为输电线路的特性参数，由该组中的a,b,c即可确定输电线路与无人机的相对位置，将反演问题简化为如下公式：
其中，Ea,b,c,U,i,j表示某一组确定的a,b,c,U下，通过仿真分析得到的第i个采样点在j方向上的电场强度仿真值；E′i,j表示第i个采样点在j方向上的电场强度实际测量大小。
2.根据权利要求1所述的巡线无人机飞行轨迹控制方法，其特征在于，所述输电线路周围的空间电磁信号为电磁环境信号中的无线电干扰信号，所述步骤2)中通过反演算法计算输电线路的特性参数具体包括以下步骤：
将无人机当前所在两相邻定位点间的输电线路简化为单相无限长直导线，采用站心地平直角坐标系OXYZ，该坐标系原点为选定测站，无人机GPS坐标系为大地坐标系，设导线m位于高度为h2的平行于水平面的平面S内、导线m在平面S内的方程为aX+bY+c＝0、导线m上的电位为U；设当前无线电干扰信号的采样点为A3，过采样点作平面S的垂线交平面S于点W3；过点W3作导线的垂线交导线于点C3；设采样点A3的坐标为(Xr3,Yr3,Zr3)，则点W3的坐标为(Xr3,Yr3,h2)；由导线位置方程解得C3点的坐标为由此得到采样点至输电线路的线段长度
对于电位为U的无限长直导线，考虑多相运行情况下，根据导线电位U和由采样点与输电线路的实时相对位置关系(a,b,c)确定的通过仿真分析计算采样点无线电干扰强度仿真值RI；
记各采样点的无线电干扰强度实际测量值为共计N组，使所有采样点的无线电干扰强度仿真值与实际测量值的差的范数之和取得最小值时的该组a,b,c,U的值作为反演算法的结果，即为输电线路的特性参数，由该组中的a,b,c即可确定输电线路与无人机的相对位置，将反演问题简化为如下公式：
其中，表示在某一组确定的a,b,c,U下，通过仿真分析得到的第i个采样点的无线电干扰强度仿真值；表示第i个点无线电干扰水平实际测量值。
3.根据权利要求1所述的巡线无人机飞行轨迹控制方法，其特征在于，所述输电线路周围的空间电磁信号为电磁环境信号中的可听噪声信号，所述步骤2)中通过反演算法计算输电线路的特性参数具体包括以下步骤：
将无人机当前所在两相邻定位点间的输电线路简化为单相无限长直导线，采用站心地平直角坐标系OXYZ，该坐标系原点为选定测站，无人机GPS坐标系为大地坐标系，设导线m位于高度为h2的平行于水平面的平面S内、导线m在平面S内的方程为aX+bY+c＝0、导线m上的电位为U；设当前可听噪声信号的采样点为A4，过采样点作平面S的垂线交平面S于点W4；过点W4作导线的垂线交导线于点C4；设采样点A4的坐标为(Xr4,Yr4,Zr4)，则点W4的坐标为(Xr4,Yr4,h2)；由导线位置方程解得C4点的坐标为由此得到采样点至输电线路的线段长度
对于电位为U的无限长直流导线，考虑多相运行情况下，根据导线电位U和由采样点与输电线路的实时相对位置关系(a,b,c)确定的通过仿真分析计算采样点可听噪声强度的仿真值AN；
记各采样点的可听噪声强度实际测量值为共计N组，使所有采样点的可听噪声强度仿真值与实际测量值的差的范数之和取得最小值时的该组a,b,c,U的值作为反演算法的结果，即为输电线路的特性参数，由该组中的a,b,c即可确定输电线路与无人机的相对位置，将上述反演问题简化为如下公式：
其中，表示在某一组确定的a,b,c,U下，通过仿真分析得到的第i个采样点的可听噪声强度仿真值；为第i个采样点的可听噪声强度实际测量值。
