基于無人機巡檢的輸電線路規避系統設計

王大川　耿偉　褚洪雷　黃雪飛

摘要：隨著我國的經濟在快速的發展，社會在不斷的進步，無人機進行輸電線路巡檢時，常常存在與輸電線路發生碰撞的風險，為解決無人機巡線系統及輸電線路運行安全存在的問題，本文對超聲波傳感器、激光雷達、毫米波雷達和雙目攝像機等不同的障礙檢測傳感器進行指標性能分析，基于毫米波雷達傳感器設計了輸電線路規避系統，基于毫米波雷達采集到的障礙信息，采用恒虛警算法和多目標檢測算法，設計了自主動態規避算法，能夠適應雜波邊緣和多目標干擾環境，且只需進行一次模糊數遍歷，即可實現多目標的檢測，采用流體擾動算法實現對巡線航路的實時規劃。試驗結果表明，輸電線路規避系統對輸電導線和地線的測試范圍在50m左右，誤差小于1m，規避效果良好，對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。

關鍵詞：輸電線路;無人機;毫米波雷達;導線;規避

引言

輸電線路輸送的電流主要分為交流輸電和直流輸電，19世紀90年代，直流電研發成功，但當時技術難以提升直流輸出的電壓，在19世紀末被交流輸電替代，交流電于20世紀開始正式成為電氣化時代的主要線路輸送電流形式。輸電線路主要有兩種線路形式，分別是架空輸電線路和電纜線路，其中架空輸電線路主要架設在地面之上，野外分布較廣，地形復雜，自然環境較惡劣。輸電線路設備受自然環境和人為因素的影響，自然環境影響表現在長時間暴露在野外，經常受到雷擊、覆冰導致材料被腐蝕老化。人為因素影響主要為人為倒塔、斷股、磨損等現象，這些都需要得到及時修復和更換。

1 技術路線

在輸電線路無人機智能巡檢管理系統建立的時候，工作人員需要對相關的數據模型其內部共享資源，應借助小型化、模塊式、可編輯的軟件，并依托于J2EE技術，設計多層技術實施方案。而且，還需研發第三方軟件供應商數據接口。使幾種不同專業的軟件可集成在一起，便于無人機電路巡檢業務實現統一、規范的管理，具體該系統的技術結構如圖1所示。由圖1可知：（1）前置層內部設置了信息采集、控制、清洗、存儲等功能。（2）表現層包括了巡檢管理系統中的管理工具，可以對C/S結構數據進行利用。（3）應用服務層面向客戶提供了一些服務功能，例如：可瀏覽圖像、分別及識別富媒體、管理作業、電網拓撲與管等。（4）應用邏輯層主要是面向系統研發/管理人員的系統工具，可管理系統客戶的使用權限、識別飛行圖像信息、統計分析空間數據、搭建通用業務的組件等。（5）數據訪問與數據庫均屬無人機智能巡檢系統中的數據管理系統范疇，可實現對數據訪問過程的控制管理及儲存無人機智能巡檢系統中數據。

2 無人機巡檢的輸電線路規避系統設計

2.1 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。

2.2 數據庫設計

依據無人機立體智能巡檢應用平臺的數據特性，將數據劃分為基礎數據、事務數據、非機構化數據等類型。并與其他系統進行集成數據交互，保障數據的實時性、唯一性、準確性。其中，基礎數據主要包含基本臺賬信息。其包括無人機臺賬信息、備品備件信息、駕駛員信息、供應商信息、設備臺賬信息等;事務數據主要包括禁飛區數據、空域申請記錄數據、飛行計劃數據、飛行申請數據、定位數據、維修保養數據等;非結構化數據主要包含無人機政策法規、規范方案、日常規范文檔、駕駛證照片、無人機照片、巡檢照片、巡檢視頻、導入模板等。系統數據是無人機巡檢系統運行和服務的數據基礎，由一系列的結構化數據和非結構化數據組成;無人機巡檢系統數據主要由電網資源數據、地理信息數據、計劃任務數據、飛行監控數據、巡檢照片數據、巡檢視頻數據等多種數據構成。電網資源數據主要是通過與生產管理系統集成而獲取的。其為無人機巡檢系統的主體基礎數據，是飛行任務的主體數據。主要記錄電網設備資源臺賬數據。地理信息數據主要是通過與地理信息系統集成而獲取的。其為無人機巡檢系統主體基礎數據的補充，是空域申請及飛行監控的參照數據。主要記錄電網資源的地理信息數據及地圖數據。計劃任務數據是無人機巡檢系統中開展計劃制定分解以及任務安排執行產生的生產應用數據。其主要是實現無人機巡檢任務從計劃到執行的管理，保證飛行有計劃、有執行。飛行監控數據是無人機巡檢系統中監控飛行任務執行過程的數據。其主要是實現無人機巡線任務在線監控，保證飛行作業安全、合規。巡檢照片數據及巡檢視頻數據是無人機巡檢系統中管理的無人機輸電線路巡檢任務對應的飛行成果數據。主要實現巡檢成果數據的邏輯管理，并為后續缺陷分析提供基礎數據。

2.3 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。LTCC基片集成波導諧振腔結構俯視圖如圖2所示，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。基片集成波導的電磁場輻射和反射損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。在有源芯片的腔體設計中，根據國內LTCC加工工藝和設計指標需要，采用多個接地通孔形成等效腔體，等效腔體一方面能夠減小熱膨脹引起腔體變形，另一方面使設計更靈活。基于多個接地通孔形成的等效腔體結構，為腔體提供了芯片與其它電路的隔離，同時也提供了可靠性和環境保護。然而由于腔體的諧振特性，置于金屬腔體中的有源裸芯片可能產生與預期不同的傳播路徑，導致在腔體中產生串擾和振蕩。由于TE101模諧振與諧振腔的高度沒有關系，確定諧振頻率后就可以選擇腔體的長度和寬度，通過選擇合適的腔體尺寸，使放大器的工作頻率遠離腔體的諧振頻率，從而使有源器件在腔體中產生的反饋最小。

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。

參考文獻：

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