无人机飞控系统在高压电磁场中的抗干扰技术研究

鲁 杰，侯力枫，宁 岩，刘明辉，李 壮，范士清，柴振华

（国网冀北电力有限公司承德供电公司，河北 承德067000）

0 引言

随着架空输电线路的不断发展，线路覆盖区域越来越广，超高压和特高压线路建设越来越多，大大增加了线路运维的工作量。为了保证线路的安全稳定运行，开展有效的巡视成为发现线路隐患的必要方式，目前，无人机的大量投入，在一定程度上弥补了传统人工巡视的不足［1-3］。通过大量的运维经验可以知道，当无人机接近线路时，由于电磁场的作用，影响了无人机的飞行性能，尤其是无人机巡检高压输电线路过程中，能明显发现飞机失控，被线路牵引，轻轻回拉遥控手柄，飞机无法响应，需加大动力才可脱离电磁场干扰区域［4-6］。初步可以判断，这是由于电磁场对无人机操控性能的影响，针对这种问题，如何实现无人机飞控系统在高压电磁场中抗干扰技术，成为输电线路运维工作重点探索的方向［7-9］。

在线路附近进行无人机巡视工作过程中，无人机巡检系统的操控性明显降低，影响作业安全，特别是在高压线路附近时，此现象更为明显，严重时发生无人机突发失控，导致坠落的事故。目前，针对不同电压等级的输电线路，巡检作业的最小安全距离没有进行有效验证，对不同环境下，无人机任务设备的作业技术条件、巡检系统操控响应性能等要求不明确，从而影响无人机巡检安全策略的制定［10-12］。

1 输电线路电磁场分析

输电线路电晕放电形成的辐射电场呈现脉冲形式，对线路周围电磁场进行干扰，有时甚至会产生电晕振动，其振动的动力响应振幅大、频率低且偶然性大，电压等级越高以上问题越明显，并且直流输电工程还存在离子流，同时，如果周围存在一定的干扰信号，对于无人机巡检系统具有一定的影响，这是由于无人机通过机体结构件、飞控模块、动力控制模块、驱动模块、GPS、IMU、电机、通讯模块及载荷（可见光、红外）等集成而成，系统涉及到较多电子元器件、电源及信号线路，容易受到以上干扰影响。尤其在临近线路巡检工作时，可能发生传输中断、丢包等现象，如果干扰信号不强烈，可能引起操控性能减弱；如果干扰信号强烈，可能造成飞行失控的故障［13-15］。

无人机巡检系统材质和结构多样、尺寸从0.8 m～2 m不等，由于无人机巡检过程中，搭载的设备只有尽量靠近线路，采集的信息才能更准确，特别是中相导线，为了获得更加准确的数据，无人机需要穿越边相导线，对线路安全运行存在不同程度的影响。现阶段国内外均缺乏无人机巡检系统对线路电气安全性能影响程度的数据，无法掌握不同结构、尺寸和材料的无人机巡检作业时应保持的最小安全距离要求，因此需要研究不同等级运行电压对小型多旋翼无人机影响，在此基础上结合无人机的安全和操控响应性能要求，考虑任务设备技术性能，得到巡检作业安全距离，在保证巡检安全性的基础上对作业方式进行优化。

1.1 输电线路周围的电场

线路运行过程中，离线路越近，产生的电场越集中，电位分布和对地距离的关系为指数衰减关系，如图1所示。在图1中，UN代表线路的对地电压；h代表线路对地高度；Δh代表单位距离。而且电场强度受对地距离的影响，依据距离的倒数快速减小，如图2所示。并且依据线路的设计要求，线路在地面投影范围内，人体所受的电场强度不能超过4 kV/m。通常输电线路附近的电场，由于树木或者建筑物的存在，引起一定的畸变，当无人机接近输电线路时，便会在无人机周围出现较强的畸变电场。

图1 电位分布和对地距离的关系Fig.1 Relationship between potential distribution and distance to ground

图2 邻近高压输电线路的地面场强分布Fig.2 Ground field intensity distribution adjacent to high-voltage transmission lines

1.2 输电线路周围的磁场

输电线路运行过程中，由于电流的作用，其电场时时处于变化之中，那么形成的磁场也一直处于变化的状态。磁感应强度受导线距离的影响，随着物体离线路距离越大，形成的磁感应强度越小。通常磁场和离线路距离的平方呈倒数衰减关系，因此，无人机离导线越近，受到的磁场强度越大。其中，磁场强度B和磁感应强度H关系如下：

在式（1）中，μ取决于周围空间介质的磁导率；μ0为真空状态下的磁导率，为常数4π×10-7Wb/Am；μr是相对真空磁导率的倍数，通常可以视为常数1。于是，有：

2 电磁抗扰度试验

电磁干扰是电力系统输电线路对环境的固有干扰，无论何种等级的交、直流电压，只要运行，一定会产生电磁辐射，对周边物体形成干扰。目前，各个国家和组织对电磁场的暴露限制均有明确约定，一般以ICNIRP导则为准。该导则规定：公众环境下的电场强度暴露限值为10 kV/m，磁场强度暴露限值为100μT。具体到电力行业，无论是人工巡检还是无人机巡检，均会受到电磁辐射。若为人工巡检，当进入输电线路一定范围内时，电场强度远远超标，必须采取相应屏蔽措施，方可保证作业人员安全；若采用无人机巡检，目前还无法做到有效屏蔽，因而在近距离作业时，更需严格遵守安全作业距离。研究无人机巡检安全作业距离，首先需研究无人机电子元器件的抗电磁干扰性能。

根据现行标准《GB/T 17626电磁兼容试验和测量技术系列标准》电磁抗扰度试验需要做4类内容检测，分别为工频磁场抗扰度检测、脉冲磁场抗扰度检测、静电放电抗扰度检测与射频电磁场辐射抗扰度检测。

根据试验样品的功能丧失或性能降低程度，试验结果分为A、B、C、D四个等级。试验样品功能丧失或性能降低包括：

1）测控信号传输中断或丢失；

2）无人机对操控信号无响应或飞行控制性能降低；

3）影像传输中断或出现迟滞、马赛克、雪花、条纹、重影等现象；

4）任务设备对操控信号无响应或转动、拍摄等控制性能降低；

5）其他功能的丧失或性能的降低。

试验结果A、B、C、D四个等级划分标准为：

a）A级：各项功能和性能正常。

b）B级：未出现1）和2）中所列现象。出现3）、4）和5）中任意现象，且干扰停止后可在2 min（含）内自行恢复，无需操作人员干预。

c）C级：未出现1）和2）中所列现象。出现3）、4）和5）中任意现象，且干扰停止2 min后依然无法稳定运行，通过复位或者再次启动，才能稳定运行。

d）D级：出现1）和2）中任意现象；或未出现1）和2）中所列现象，但出现3）、4）和5）中任意现象，且因硬件或软件损坏、数据丢失等原因不能恢复。

2.1 射频电磁场辐射抗扰度试验

射频电磁场辐射抗扰度试验主要考核输电线路巡检用无人机在遭受有意的（如运行维修人员的手持式无线电收发机、各种工业电磁源等）或无意的（感性负载操作等产生的）电磁辐射时的抗扰度性能。

射频电磁场辐射抗扰度试验布置如下：将三轴运动测量台布置在电波暗室内合适位置，将搭载了任务设备的无人机安装于三轴运动测量台上并固定牢靠，无人机任意部位与电波暗室壁的距离不小于1 m；将遥控手柄与地面站放置在电波暗室内合适位置，并且能够为地面站提供电源，使它们维持待机运行。同时，相同型号遥控手柄与地面站放置在电波暗室外，能够从电波暗室外操作无人机。试验使用的射频电磁场信号强度为10 V/m，并用1 kHz的正弦波对信号进行80%的幅度调制。其他参数分别为检测频率可以实现8.0×107Hz～2×109Hz，检测步长设置为0.01，驻留时间设置为1 s。

射频电磁场辐射抗扰度试验方法如下：将无人机自检，处于待机工作状态，距无人机3 m处将对数周期天线布置在垂直极化位置，并使试验样品的正面（机头所在面）与校准场平面相重合；关闭电波暗室门，进行射频电磁场扫描，扫描过程中，通过电波暗室外相同型号遥控手柄与地面站操作无人机工作，在三轴运动测量台上，无人机可以升高的高度超过1.0 m，半径超过1.5 m。而且，无人机搭载的装置可以实现各个方向转动，完成拍照功能，观察并记录各扫描频率范围内试验样品各项功能和性能变化情况；当把电波暗室门打开后，检测遥控手柄与地面站是否为正常待机状态，同时，无人机是否处于正常状态；如果所有装置的状态均处于正常，将对数周期天线由垂直极化位置改为水平极化位置，重复以上步骤进行试验。射频电磁场辐射抗扰度试验现场如图3所示。

图3 射频电磁场辐射抗扰度试验Fig.3 Radio frequency electromagnetic field radiation immunity test

2.2 静电放电抗扰度试验

该检测的目的是分析无人机巡检线路过程中，当受到操作者或者相邻物体静电的影响时，具备的抗扰度特点。

静电放电抗扰度试验布置如下：将0.8 m高的木质试验台放置在与试验室安全接地系统相连接的接地（参考）平面上，在试验台上合适位置放置水平耦合板，在耦合板上放置0.5 mm厚的绝缘垫，将无人机放置在绝缘垫上，并按正常工作要求进行布置和接线，处于待机工作状态；无人机以及连接电缆等通过绝缘垫与水平耦合板隔开，与水平耦合板各边距离不小于0.1 m，与试验室墙壁以及其他金属结构之间的距离不小于1 m；将尺寸为0.5 m×0.5 m的垂直耦合板布置在绝缘垫上，与无人机正面（机头所在面）平行，距离为0.1 m；将静电放电枪的放电回路电缆与接地（参考）平面相连接，通过专用电缆（两端各有1个470 kΩ的电阻）将水平耦合板与接地（参考）平面连接。

静电放电抗扰度试验方法如下：在垂直耦合板上选取均匀分布的10个放电点，将静电放电枪依次接触各个放电点进行接触放电试验，期间观察并记录试验样品各项功能和性能变化情况，在每个放电点放电时，电压幅值为8 kV，正、负极性各进行10次，每次放电间隔时间不小于1 s；将静电放电枪依次靠近各个放电点进行空气放电试验，期间观察并记录试验样品各项功能和性能变化情况。在每个放电点放电时，电压幅值为15 kV，正、负极性各进行10次，每次放电间隔时间不小于1 s；沿顺时针（或逆时针）将无人机水平旋转90°，重复以上步骤，直至试验样品的四个面均进行了静电放电试验。静电放电抗扰度试验现场如图4所示。

图4 静电放电抗扰度试验Fig.4 Electrostatic discharge immunity test

2.3 脉冲磁场抗扰度试验

主要考核无人机对输电线路运行环境的脉冲磁场的抗扰度性能。

脉冲磁场抗扰度试验布置如下：将接地（参考）平面放置在试验台上，与试验室的安全接地系统相连接，接地（参考）平面为0.25 mm厚的非磁性金属板（铜或铝），尺寸不小于1 m×1 m。在接地（参考）平面上放置0.1 m厚的绝缘垫，将无人机放置在绝缘垫上，并按正常工作要求进行布置和接线。将感应线圈套在无人机外部合适位置，使无人机处在感应线圈产生的磁场中，脉冲磁场发生器放在距感应线圈不超过3 m处，且一端与接地（参考）平面相连接。

脉冲磁场抗扰度试验方法如下：将无人机自检，处于待机工作状态；施加峰值为1 000 A/m、波形为6.4/16μs的脉冲磁场，正、负极性各进行5次，每次间隔时间10 s。期间观察并记录试验样品各项功能和性能变化情况；将感应线圈旋转90°套在无人机外部合适位置，重复施加磁场信号，直至在3个互相垂直的磁场中进行试验；将无人机放在感应线圈外，在感应线圈中合适位置放入遥控手柄与地面站，再次启动上述试验，试验现场如图5所示。

图5 脉冲磁场抗扰度试验Fig.5 Pulse magnetic field immunity test

2.4 工频磁场抗扰度试验

主要考核无人机对输电线路运行环境的工频磁场的抗扰度性能。

工频磁场抗扰度试验布置如下：将接地（参考）平面放置在试验台上，与试验室的安全接地系统相连接，接地（参考）平面为0.25 mm厚的非磁性金属板（铜或铝），尺寸不小于1 m×1 m。在接地（参考）平面上放置0.1 m厚的绝缘垫，将无人机放置在绝缘垫上，并按正常工作要求进行布置和接线。将感应线圈套在无人机外部合适位置，使无人机处在感应线圈产生的磁场中，工频磁场发生器放在距感应线圈不超过3 m处，且一端与接地（参考）平面相连接。

工频磁场抗扰度试验方法如下：将无人机自检，处于待机工作状态；采用侵入法，施加峰值为100 A/m的工频磁场，持续5 min，期间观察并记录试验样品各项功能和性能变化情况；再将感应线圈旋转90°，套在无人机外部合适位置，重复施加信号进行试验，直至在3个互相垂直的磁场中进行试验；将无人机放在感应线圈外，在感应线圈中合适位置放入遥控手柄与地面站，再次启动上述试验，试验现场如图6所示。

图6 工频磁场抗扰度试验Fig.6 Power frequency magnetic field immunity test

2.5 试验分析

本文针对无人机巡检系统开展了电磁抗干扰试验，无人机抗电磁干扰试验结果如表1所示。

表1 抗电磁干扰试验结果Table 1 Anti-electromagnetic interference test results

表1中大多是目前电力系统巡检作业的主要应用机型，尺寸涵盖了1 m至1.9 m。通过表1可以知道，试验测试的无人机在静电放电抗扰度、脉冲磁场抗扰度与工频磁场抗扰度试验方面，可以达到的水平是A。而在射频电磁场辐射抗扰度试验检测时，6种无人机的天线水平极化与垂直极化可以达到的水平是A，检测性能稳定；2种无人机的天线水平极化与垂直极化可以达到的水平是B，在所用通讯频段附近均出现不同程度的被干扰现象，在数传或图传被干扰后，暂停扫描能自行恢复。分析其原因，射频电磁场的频率一般特别高，远高于工频，因而能量相对很大，无论是其中包含的电场能还是磁场能，均为很高量级，对应的电场强度和磁场强度很大，对无人机的电子元器件干扰也就比较严重，致使其功能丧失或性能降低。需要说明的是，试验结果为B并不会造成致命的危险，从现象上来说只是影响巡检作业的精细程度，降低巡检质量。

3 结语

本文通过无人机的电磁场抗辐射能力试验，试验结果在一定程度上表明，无人机巡检线路过程中，当受到操作者或者相邻物体静电的影响时，具备的抗扰度特点，对输电线路运行环境中的脉冲磁场的抗扰度性能，以及对输电线路运行环境中的工频磁场的抗扰度性能均比较强，而在遭受有意的（如运行维修人员的手持式无线电收发机、各种工业电磁源等）或无意的（感性负载操作等产生的）电磁辐射时的抗扰度性能还有待完善，个别机型需要投入精力继续研究，使无人机巡检应用安全可靠。