一种电力线路巡检无人机异物无线超充方法、系统、设备及介质

本发明涉及无线充电，具体涉及一种电力线路巡检无人机异物无线超充方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、近年来，无人机无线巡线技术得到了快速发展，主要原因是传统的人工巡线方式存在着巨大的不足之处。传统的人力巡检对复杂情景虽然有较强的直观性和高适应性，但其局限性和效率瓶颈的问题难以忽视，依靠传统的人工巡检的作业方式不仅工作量大、效率低、还有一定危险性。电力线路巡检无人机以高效性、卓越的安全性和相对较低的成本逐渐崭露头角，并以其体型小、飞行速度快、可控性较强的特点，在近几年得到普遍使用。

2、目前电力线路巡检无人机的供电主要以锂电池为主，其续航能力不足致使无人机的巡检范围受到限制。因此，针对电力线路巡检无人机的无线电能传输技术应运而生。通过无线充电，电力线路巡检无人机可以在执行任务的过程中实现自动充电，无需返航或更换电池，从而大幅度延长其持续工作的时间。然而，在进行充电时，无线电力传输容易受到异物的影响，电能发射线圈与电能接收线圈难以拥有较高的对接，不能达到理想的功率传输效率，进而导致充电速度较慢。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种电力线路巡检无人机异物无线超充方法、系统、设备及介质，实现对多个电力线路巡检无人机的无线充电调控以及对位置的实时监控，且使得无线充电系统在金属异物的影响下，依然能够保持高效的电能传输。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

3、本技术的第一方面提供了一种电力线路巡检无人机异物无线超充方法，电力线路巡检无人机安装有接收线圈，在充电平台通过多相发射线圈对电力线路巡检无人机进行无线充电，包括以下步骤：

4、获取电力线路巡检无人机、异物相对于充电平台的位置；

5、根据电力线路巡检无人机、异物相对于充电平台的位置，获得异物所在的评价平面，调整多相发射线圈的位置以及输出电压的相位和幅值，对评价平面中异物所在位置执行磁场抑制，以获取及控制调整对电力线路巡检无人机的最佳充电方式，包括：

6、构建电力线路巡检无人机充电时的等效电路，计算电能功率传输效率；计算多相发射线圈充电产生的磁场中的磁场强度；使用粒子群优化算法对多相发射线圈的相位和幅度以及线圈排列进行评估。

7、所述充电平台提供充电使用的位置区块，通过设置在充电平台的登陆面上的红外传感器获取无人机、异物相对于充电平台的位置，在充电平台上建立三维坐标系：

8、充电平台的登陆面位于x轴、y轴形成的平面，z轴垂直于该平面；以接收线圈的中心位置作为电力线路巡检无人机在三维坐标系中x轴和y轴上的坐标位置；电力线路巡检无人机的坐标计算公式为：

9、

10、

11、式中，d为红外传感器间隔，x为电力线路巡检无人机在三维坐标系中x轴上的坐标，y为电力线路巡检无人机在三维坐标系中y轴上的坐标，pxmax为在x轴方向上距离原点最远的红外传感器，pxmin为在x轴方向上距离原点最近的红外传感器；pymax为在y轴方向上距离原点最远的红外传感器，pymin为在y轴方向上距离原点最近的红外传感器；h为电力线路巡检无人机在三维坐标系中z轴上的坐标；v为红外线在空中的传输速度，为已知量；t为红外传感器发射信号到接收到信号的时间；

12、所述的红外传感器对异物进行探查，通过红外射线检测充电平台与异物之间的距离，若距离小于所设定阈值距离，则视为异物，并获取其坐标及大小，其后关闭异物所覆盖下的红外传感器。

13、所述充电平台通过阵列式无线充电区块的阵列式排列实现同时对多个电力线路巡检无人机的无线充电，具体为：

14、所述阵列式无线充电区块命名为rgh，包含g行、h列充电平台分矩阵；

15、所述充电平台分矩阵数量由下式计算得出：

16、n＝g×h

17、式中，n为充电平台分矩阵数量，并与电力线路巡检无人机数量相同；

18、所述充电平台分矩阵铺有均匀的数量可选的红外传感器，并命名为p(x，y)；

19、根据以下公式计算红外传感器间隔为d：

20、

21、式中，q为所述电力线路巡检无人机展开时的长边长度；q为红外传感器间隔系数；

22、根据以下公式计算所述充电平台分矩阵的边长b：

23、b＝q+γ×d

24、式中，γ为延长系数。

25、所述的构建电力线路巡检无人机充电时的等效电路，计算电能功率传输效率，具体为：

26、一个电力线路巡检无人机有1个接收线圈，有n-1个多相发射线圈对该电力线路巡检无人机充电，相控阵无线电能传输的电路方程表示为：

27、

28、式中含有多相发射线圈和接收线圈的参数，其中下标为1～n-1的参数均是指多相发射线圈，下标为n的参数是指接收线圈；w为角频率；ri是电阻，ci是电容器的电容，li是线圈的自感，lij是线圈之间的互感，每个线圈的输入电压为vi，电流为ii，其中，i，j＝1，2，…，n；zl是负载电阻；

29、由于磁耦合谐振式无线电能传输时每个多相发射线圈都处于共振状态，则li和ci产生的电抗为零，电路方程为：

30、

31、将每个多相发射线圈的输入电压用v表示，阻抗矩阵为z，每个线圈的电流为i，因此，相控阵无线电能传输的电路方程表示为：

32、v＝zi

33、由于每个多相发射线圈输入电压的相位和幅值可以独立控制，由上式通过两边乘以阻抗矩阵z的逆矩阵z-1得到电流i：

34、i＝z-1v

35、根据计算出的电流值计算得出各线圈的功率、各多相发射线圈到接收线圈的功率传输效率：

36、

37、

38、其中，prx为接收线圈的负载功率，ptx为各多相发射线圈输入功率之和，η为各多相发射线圈到接收线圈的功率传输效率。

39、所述计算多相发射线圈充电产生的磁场中的磁场强度，具体为：

40、流过多相发射线圈的电流iik如下式所示：

41、

42、其中，ai为电流的幅值，θi为电流的相位差，tdiv是谐波磁场的周期，其中k＝1，2，…；

43、若磁场计算点的坐标为h(xr，yr，zr)，多相发射线圈的中心坐标为(xi，yi，zi)，则多相发射线圈的电流坐标到磁场计算点的距离ri使用下式计算：

44、xri＝xr-xi,yri＝yr-yi,zri＝zr-zi

45、

46、其中ai为线圈i的半径，i＝1，2，…，n；m是积分磁场的积分次数，l＝1，2，…，m；

47、利用下面三个公式计算每个多相发射线圈产生的磁场，得到x、y和z三个方向上的复合矢量hxk、hyk和hzk：

48、

49、

50、

51、其中，n为线圈的匝数；

52、之后计算三维矢量的范数：

53、

54、式中，hnormk为时间k时x、y和z方向磁场的复合矢量，re表示取实部；

55、计算磁场复合矢量各方向时间序列数据的均方根，得到以磁场强度hrms表示的有效值：

56、

57、所述获得异物的评价平面，调整多相发射线圈的位置以及输出电压的相位和幅值，对异物所在评价平面执行磁场抑制，具体为：

58、在多相发射线圈的配置平面划分第一网格，第一网格间距为dltx，多相发射线圈的配置平面边长为lt，多相发射线圈的中心坐标与第一网格中的一个网格点对应；

59、以异物所在的、平行于多相发射线圈配置平面的平面建立评价平面，在评价平面划分第二网格，第二网格间距为dlev，评价平面边长为lev，异物所在坐标位置为评价点，评价点与第二网格中的一个网格点对应；

60、所述评价平面为执行磁场抑制的平面，对评价点执行磁场抑制；

61、所述评价平面在所述每个评价点上获得每个多相发射线圈的输入电压的相位和幅值组合，该组合既能满足功率传输效率又能实现磁场抑制，并将所有评价点获得的功率传输效率和磁场强度之和作为多相发射线圈配置的评估值；通过重复执行这些优化过程，获得每个评价点的最佳多相发射线圈配置以及每个多相发射线圈线圈输入电压相位和振幅的适当组合。

62、所述使用粒子群优化算法对多相发射线圈的相位和幅度以及线圈排列进行评估，具体为：

63、为每个粒子分配一个多相发射线圈配置粒子，然后从功率传输效率和评估平面上的磁场抑制两方面对所述多相发射线圈配置粒子进行评估；

64、将每个多相发射线圈的输入电压组合分配给每个输入电压组合粒子，分配给每个粒子的输入电压对应于每个多相发射线圈的输入电压v，通过公式计算得出功率传输效率η和评估平面上单个评估点的磁场强度hrms；

65、在评估平面上的每个评估点上，将每个输入电压组合粒子评估为相应功率传输效率η的倒数和磁场强度hrms的加权和，表示为输入电压评估函数φpa：

66、

67、其中，α是决定磁场强度和功率传输效率之间平衡的权重系数；β是用于将功率传输效率和磁场强度权重归一化的权重；要求功率传输效率η大于或等于功率传输效率下限ηlimit；否则，不选择粒子；

68、根据评估结果，在指定的搜索次数kmax之后，选择组内最佳值的粒子的每个多相发射线圈的输入电压进行功率传输；对评价平面上的所有评价点重复这一优化过程；

69、每个多相发射线圈配置粒子的评估值为所有评估点上所选输入电压组合粒子的所有评估值之和，表示为线圈配置评估函数φtx：

70、

71、其中，en是评价点的总数，e＝1，2，…，en；ηe和hrms，e分别为第e个评价点的输电效率η和磁场强度hrms。

72、本技术的第二方面提供了一种电力线路巡检无人机异物无线超充系统，包括充电平台、红外矩阵定位模块和基于磁场调制的异物超充模块；

73、所述的充电平台用于提供充电时可使用的位置区块，所述充电平台包括阵列式无线充电区块和线圈储存库，所述的阵列式无线充电区块能够同时对多个电力线路巡检无人机的无线充电；所述线圈储存库用于将多相发射线圈进行集中储存，在对应充电区块需要进行工作时通过直线电机进行移动；

74、所述的红外矩阵定位模块用于获取无人机或异物相对于充电平台的位置坐标并对异物进行排查，所述的红外矩阵定位模块包括红外传感器、红外位置控制器、通信系统，所述的红外传感器设置在充电平台的登陆面上；所述红外位置控制器用于控制红外传感器提供异物和无人机相对充电平台的位置；所述通信系统用于向无人机提供无人机相对充电平台的位置；

75、所述的基于磁场调制的异物超充模块根据电力线路巡检无人机、异物相对于充电平台的位置，调整多相发射线圈的位置以及输出电压的相位和幅值，以获取及控制调整对电力线路巡检无人机的最佳充电方式；所述的基于磁场调制的异物超充模块包括多相发射线圈、接收线圈、相控阵线圈控制器和xyz三维运动直线电机；所述xyz三维运动直线电机用于移动所述多相发射线圈，使多相发射线圈以相控阵的方式排列，通过与电力线路巡检无人机上的接收线圈间的谐振共鸣效应，在磁场中进行电能传输；所述相控阵线圈控制器用于对多相发射线圈的电压相位、幅度以及多相发射线圈排列进行控制。

76、本技术的第三方面提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现如上所述的电力线路巡检无人机异物无线超充方法。

77、本技术的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行如上所述的电力线路巡检无人机异物无线超充方法。

78、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

79、本发明能够通过使用红外传感器以及对与充电平台的设计实现对电力线路巡检无人机位置的实时监控以及对多个电力线路巡检无人机的无线充电调控，且能够依据异物和接收线圈的位置，改变多相发射线圈的配置以及其的电压的幅值与相位使得无线充电系统在异物的影响下，依然能够保持高效的电能传输。

技术特征：

1.一种电力线路巡检无人机异物无线超充方法，其特征在于：电力线路巡检无人机安装有接收线圈，在充电平台通过多相发射线圈对电力线路巡检无人机进行无线充电，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的电力线路巡检无人机异物无线超充方法，其特征在于：所述充电平台提供充电使用的位置区块，通过设置在充电平台的登陆面上的红外传感器获取无人机、异物相对于充电平台的位置，在充电平台上建立三维坐标系：

3.根据权利要求1所述的电力线路巡检无人机异物无线超充方法，其特征在于：所述充电平台通过阵列式无线充电区块的阵列式排列实现同时对多个电力线路巡检无人机的无线充电，具体为：

4.根据权利要求2所述的电力线路巡检无人机异物无线超充方法，其特征在于：所述的构建电力线路巡检无人机充电时的等效电路，计算电能功率传输效率，具体为：

5.根据权利要求4所述的电力线路巡检无人机异物无线超充方法，其特征在于：所述计算多相发射线圈充电产生的磁场中的磁场强度，具体为：

6.根据权利要求5所述的电力线路巡检无人机异物无线超充方法，其特征在于：所述获得异物的评价平面，调整多相发射线圈的位置以及输出电压的相位和幅值，对评价平面中异物所在位置执行磁场抑制，具体为：

7.根据权利要求6所述的电力线路巡检无人机异物无线超充方法，其特征在于：所述使用粒子群优化算法对多相发射线圈的相位和幅度以及线圈排列进行评估，具体为：

8.一种电力线路巡检无人机异物无线超充系统，其特征在于：包括充电平台、红外矩阵定位模块和基于磁场调制的异物超充模块；

9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现如权利要求1-7任一项所述的电力线路巡检无人机异物无线超充方法。

10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行如权利要求1-7任一项所述的电力线路巡检无人机异物无线超充方法。

技术总结
本发明公开了一种电力线路巡检无人机异物无线超充方法、系统、设备及介质，电力线路巡检无人机安装有接收线圈，在充电平台通过多相发射线圈对电力线路巡检无人机进行无线充电，包括：获取电力线路巡检无人机、金属异物相对于充电平台的位置；根据电力线路巡检无人机、金属异物相对于充电平台的位置，获得金属异物所在的评价平面，调整多相发射线圈的位置以及输出电压的相位和幅值，对评价平面中异物所在位置执行磁场抑制，以获取及控制调整对电力线路巡检无人机的最佳充电方式。本发明能够实现对电力线路巡检无人机位置的实时监控以及对多个电力线路巡检无人机的无线充电调控，且使得无线充电系统在异物的影响下，依然能够保持高效的电能传输。

技术研发人员：孙梓翔,夏涛,吴聿阳,臧益烽,王馗吉,刘明东
受保护的技术使用者：南京工程学院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5