王大川　耿偉　褚洪雷　黃雪飛

摘要：隨著我國的經(jīng)濟在快速的發(fā)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(fā)生碰撞的風(fēng)險，為解決無人機巡線系統(tǒng)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(shè)計了輸電線路規(guī)避系統(tǒng)，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(shè)計了自主動態(tài)規(guī)避算法，能夠適應(yīng)雜波邊緣和多目標干擾環(huán)境，且只需進行一次模糊數(shù)遍歷，即可實現(xiàn)多目標的檢測，采用流體擾動算法實現(xiàn)對巡線航路的實時規(guī)劃。試驗結(jié)果表明，輸電線路規(guī)避系統(tǒng)對輸電導(dǎo)線和地線的測試范圍在50m左右，誤差小于1m，規(guī)避效果良好，對保障無人機巡檢系統(tǒng)和輸電線路運行安全具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：輸電線路;無人機;毫米波雷達;導(dǎo)線;規(guī)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(fā)成功，但當(dāng)時技術(shù)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(shè)在地面之上，野外分布較廣，地形復(fù)雜，自然環(huán)境較惡劣。輸電線路設(shè)備受自然環(huán)境和人為因素的影響，自然環(huán)境影響表現(xiàn)在長時間暴露在野外，經(jīng)常受到雷擊、覆冰導(dǎo)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(xiàn)象，這些都需要得到及時修復(fù)和更換。

1 技術(shù)路線

在輸電線路無人機智能巡檢管理系統(tǒng)建立的時候，工作人員需要對相關(guān)的數(shù)據(jù)模型其內(nèi)部共享資源，應(yīng)借助小型化、模塊式、可編輯的軟件，并依托于J2EE技術(shù)，設(shè)計多層技術(shù)實施方案。而且，還需研發(fā)第三方軟件供應(yīng)商數(shù)據(jù)接口。使幾種不同專業(yè)的軟件可集成在一起，便于無人機電路巡檢業(yè)務(wù)實現(xiàn)統(tǒng)一、規(guī)范的管理，具體該系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知：（1）前置層內(nèi)部設(shè)置了信息采集、控制、清洗、存儲等功能。（2）表現(xiàn)層包括了巡檢管理系統(tǒng)中的管理工具，可以對C/S結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行利用。（3）應(yīng)用服務(wù)層面向客戶提供了一些服務(wù)功能，例如：可瀏覽圖像、分別及識別富媒體、管理作業(yè)、電網(wǎng)拓撲與管等。（4）應(yīng)用邏輯層主要是面向系統(tǒng)研發(fā)/管理人員的系統(tǒng)工具，可管理系統(tǒng)客戶的使用權(quán)限、識別飛行圖像信息、統(tǒng)計分析空間數(shù)據(jù)、搭建通用業(yè)務(wù)的組件等。（5）數(shù)據(jù)訪問與數(shù)據(jù)庫均屬無人機智能巡檢系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)范疇，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)訪問過程的控制管理及儲存無人機智能巡檢系統(tǒng)中數(shù)據(jù)。

2 無人機巡檢的輸電線路規(guī)避系統(tǒng)設(shè)計

2.1 折疊型邊緣耦合帶狀線濾波器設(shè)計

由于傳統(tǒng)的平行線邊緣耦合濾波器單一方向長度過大，無法實現(xiàn)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)濾波器的尺寸進行修正。將經(jīng)典理論得到的濾波器尺寸帶入到仿真軟件中優(yōu)化，采用網(wǎng)絡(luò)綜合法，以等衰減為條件，經(jīng)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(jié)構(gòu)。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

依據(jù)無人機立體智能巡檢應(yīng)用平臺的數(shù)據(jù)特性，將數(shù)據(jù)劃分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、事務(wù)數(shù)據(jù)、非機構(gòu)化數(shù)據(jù)等類型。并與其他系統(tǒng)進行集成數(shù)據(jù)交互，保障數(shù)據(jù)的實時性、唯一性、準確性。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(yīng)商信息、設(shè)備臺賬信息等;事務(wù)數(shù)據(jù)主要包括禁飛區(qū)數(shù)據(jù)、空域申請記錄數(shù)據(jù)、飛行計劃數(shù)據(jù)、飛行申請數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)、維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)等;非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要包含無人機政策法規(guī)、規(guī)范方案、日常規(guī)范文檔、駕駛證照片、無人機照片、巡檢照片、巡檢視頻、導(dǎo)入模板等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)是無人機巡檢系統(tǒng)運行和服務(wù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，由一系列的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組成;無人機巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要由電網(wǎng)資源數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、計劃任務(wù)數(shù)據(jù)、飛行監(jiān)控數(shù)據(jù)、巡檢照片數(shù)據(jù)、巡檢視頻數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)構(gòu)成。電網(wǎng)資源數(shù)據(jù)主要是通過與生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成而獲取的。其為無人機巡檢系統(tǒng)的主體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是飛行任務(wù)的主體數(shù)據(jù)。主要記錄電網(wǎng)設(shè)備資源臺賬數(shù)據(jù)。地理信息數(shù)據(jù)主要是通過與地理信息系統(tǒng)集成而獲取的。其為無人機巡檢系統(tǒng)主體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的補充，是空域申請及飛行監(jiān)控的參照數(shù)據(jù)。主要記錄電網(wǎng)資源的地理信息數(shù)據(jù)及地圖數(shù)據(jù)。計劃任務(wù)數(shù)據(jù)是無人機巡檢系統(tǒng)中開展計劃制定分解以及任務(wù)安排執(zhí)行產(chǎn)生的生產(chǎn)應(yīng)用數(shù)據(jù)。其主要是實現(xiàn)無人機巡檢任務(wù)從計劃到執(zhí)行的管理，保證飛行有計劃、有執(zhí)行。飛行監(jiān)控數(shù)據(jù)是無人機巡檢系統(tǒng)中監(jiān)控飛行任務(wù)執(zhí)行過程的數(shù)據(jù)。其主要是實現(xiàn)無人機巡線任務(wù)在線監(jiān)控，保證飛行作業(yè)安全、合規(guī)。巡檢照片數(shù)據(jù)及巡檢視頻數(shù)據(jù)是無人機巡檢系統(tǒng)中管理的無人機輸電線路巡檢任務(wù)對應(yīng)的飛行成果數(shù)據(jù)。主要實現(xiàn)巡檢成果數(shù)據(jù)的邏輯管理，并為后續(xù)缺陷分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 腔體設(shè)計

選用LTCC多層技術(shù)進行腔體設(shè)計，從而提高輸電線路規(guī)避系統(tǒng)的通用性，滿足無人機掛載要求，實現(xiàn)毫米波雷達的小型化設(shè)計。LTCC收發(fā)組件集成度高，必須對系統(tǒng)的各個部件合理布局，尤其是埋置在基板內(nèi)部的元件。LTCC基片集成波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu)俯視圖如圖2所示，矩形波導(dǎo)的寬度為a，矩形波導(dǎo)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(zhì)中的波長為λ?；刹▽?dǎo)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(jù)理論分析以及實驗驗證，當(dāng)s<λ，s<4d時，基片集成波導(dǎo)腔體特性與傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)等效。在有源芯片的腔體設(shè)計中，根據(jù)國內(nèi)LTCC加工工藝和設(shè)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(shè)計更靈活。基于多個接地通孔形成的等效腔體結(jié)構(gòu)，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(huán)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(chǎn)生與預(yù)期不同的傳播路徑，導(dǎo)致在腔體中產(chǎn)生串?dāng)_和振蕩。由于TE101模諧振與諧振腔的高度沒有關(guān)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(chǎn)生的反饋最小。

結(jié)語

基于LTCC技術(shù)和毫米波雷達，設(shè)計的輸電線路規(guī)避系統(tǒng)滿足大型無人機的掛載要求，可實現(xiàn)在50m距離對輸電導(dǎo)線和地線的檢測，檢測誤差小于1m，系統(tǒng)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(guī)避動作。對提高無人機可靠性，保障無人機巡檢系統(tǒng)和輸電線路運行安全具有重要的意義。

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