基于無人機巡檢的輸電線路規避系統設計

杜衍睿

（內蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內蒙 興安盟 137400）

隨著電網的快速發展，架空輸電線路分布點多面廣，所處地形復雜，傳統的人工巡檢方法不僅工作量大、耗時長、效率低，而且受人為因素制約，一些線路缺陷或故障點不容易被發現。在一些國家和地區，載人直升機巡線方式已取代人工巡線成為主要的巡線手段，通過在直升機上搭載光學相機、紅外熱像儀、紫外成像儀等多種傳感器，實現對輸電線路缺陷和線行環境多維度巡檢。但是，由于載人直升機的巡檢方式成本太高，在我國難以普及，因此，費用相對較低的無人機用于高壓輸電線路的巡檢，是當今電力新技術的一個很有前景的發展方向。

一、輸電線路規避系統設計

為了實現輸電線路巡檢中無人機對導線的規避，對常用的障礙物檢測傳感器，進行分析比較。

通過對比各傳感器的性能特點，最終選用毫米波雷達進行輸電線路規避系統設計，考慮到電網輸電線路巡檢實際作業過程中，無人機在輸電線路右上方進行飛行，在線路位置信息已知的情況下，左側的障礙物(桿塔、線路等)可通過航跡規劃進行靜態避讓。故障礙物主要來自于前方與右側，同時毫米波雷達探測距離遠，故將毫米波雷達安裝在無人機機頭前方，作為障礙物檢測的主要手段，可預留出足夠的避障反應時間，具體方案如下所述。

（一）腔體設計

選用LTCC多層技術進行腔體設計，從而提高輸電線路規避系統的通用性，滿足無人機掛載要求，實現毫米波雷達的小型化設計。LTCC收發組件集成度高，必須對系統的各個部件合理布局，尤其是埋置在基板內部的元件。矩形波導的寬度為a，矩形波導的長度為b，兩層金屬板的距離為h，連接上下兩層金屬板通孔的半徑為d，相鄰兩個通孔的距離為s，電磁波在LTCC介質中的波長為λ?；刹▽У碾姶艌鲚椛浜头瓷鋼p耗主要由金屬化通孔直徑與相鄰金屬化通孔之間的距離影響，間距越小孔間能量泄露越少，電磁場輻射損耗越低。根據理論分析以及實驗驗證，當s＜λ，s＜4d時，基片集成波導腔體特性與傳統的金屬波導等效。

（二）折疊型邊緣耦合帶狀線濾波器設計

由于傳統的平行線邊緣耦合濾波器單一方向長度過大，無法實現系統的小型化，因此采用折疊邊緣耦合帶狀線濾波器。濾波器采用折疊結構，邊緣耦合帶狀線之間的直角連接會引起寄生電感和寄生電容，需要對傳統濾波器的尺寸進行修正。將經典理論得到的濾波器尺寸帶入到仿真軟件中優化，采用網絡綜合法，以等衰減為條件，經過頻率變換，綜合成低通原型濾波器，然后采用倒置和頻率變換得到帶通濾波器，最后用邊緣耦合帶狀線代替各個元件得到濾波器的結構。

（三）運輸保障系統設計

無人機運輸保障系統由運載車底盤、方艙及輔助設施組成運輸保障車綜合考慮了無人機結構特點和運輸中的防振措施，可靠地固定無人機及相關設備，保障對無人機及相關設備的安全運輸。

1.方艙設計

方艙用于裝載和固定無人機及其附件，在結構設計中有特別的考慮，如底板上設置了含導向槽的導軌裝置和無人機輪組，方便將無人機移動到艙內。無人機的固定是通過翻轉扣、支撐裝置和綁帶共同完成，導軌上的翻轉扣用于固定住無人機的雪橇板，帶卡槽支撐裝置用于固定住無人機的尾槳，底板及側壁板上的卡鉤是為了利用綁帶將無人機的起落架和旋翼支架與艙體固定，保證運輸途中盡量減少顛簸對無人機的機械損傷。方艙中專門設置了旋翼箱，將無人機移入方艙內部之前，先將其主旋翼拆下，并放置于旋翼箱內，可以減小其占用空間，而且旋翼又能夠得到妥善的放置。

2.運輸車底盤選取

運輸車的底盤選用東風汽車有限公司原廠生產的DFL5160XX YBX1A二類底盤，并在此基礎上進行改裝，以滿足運輸無人機的特殊需求。運輸車底盤右側中前部安裝有隨車工具箱，內部可放置必要的維修和檢測工器具等，便于現場對無人機進行故障排查。車輛底架左右兩側中后部各安裝一只200L汽油箱，為巡檢無人機和中繼無人機提供燃油補給。油箱前部及底部安裝有鋼質防護板，并單獨配備接地帶，將將靜電導入大地，保證燃油安全。

二、規避算法設計

（一）最大模糊數搜索實現多目標檢測算法設計

實際背景中目標不會同時處于同一個距離－多普勒單元，因此目標之間不會存在相互干擾。單元最大模糊數搜索法只需進行一次模糊數遍歷，就可以得到所有目標的積累峰值及相對應的模糊數，在取得模糊數的情況下對信號進行修正并做相參積累，具體步驟如下，Kmax為目標最大可能速度所對應的最大模糊數。

（二）剔除雜波算法設計

CA－CFAR檢測器在雜波邊緣處存在大量的虛警，而且多目標檢測性能較差，不能適應雜波邊緣和多目標環境。因此，針對這一檢測方法做了眾多的改進，其中比較常見的檢測方法為單元平均選小(SO－CFAR)和單元平均選大(GO－CFAR)，三種檢測方法的檢測概率與信噪比關系如圖6所示，SO－CFAR和GO－CFAR是針對雜波邊界問題提出來的，檢測性能較好。

結語

基于LTCC技術和毫米波雷達，設計的輸電線路規避系統滿足大型無人機的掛載要求，可實現在50m距離對輸電導線和地線的檢測，檢測誤差小于1m，系統檢測可靠性高，通過對檢測到的障礙物信息和線路位置信息的解算，進行規避動作。對提高無人機可靠性，保障無人機巡檢系統和輸電線路運行安全具有重要的意義。