武藝，晏武，郭峻菘，白云燦，郭曉冰

（國(guó)網(wǎng)通用航空有限公司，北京 100000）

目前，超高壓架空輸電線路在能源輸送上發(fā)揮著重要作用，然而由于地形越來(lái)越復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣多變，超高壓輸電通道走廊資源日益短缺，破損、灼燒等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，甚至?xí)?lái)嚴(yán)重的火災(zāi)事故。因此，對(duì)架空輸電線路進(jìn)行檢查十分重要。

通過(guò)直升機(jī)飛行巡檢可以解決地面人員檢查勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大、檢測(cè)精度較低、視線盲區(qū)較大的問(wèn)題[1-2]。但隨著巡查面積的增加，人們對(duì)雙光電力巡查吊艙提出了更高的要求。而目前吊艙使用的紅外熱像儀都不具備數(shù)據(jù)流采集功能，儀器呈現(xiàn)的紅外數(shù)據(jù)不能與照片數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，各項(xiàng)分散的數(shù)據(jù)難以處理，因此迫切需要研究出一種有效的雙光電力巡查吊艙高速穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

相關(guān)學(xué)者為了解決上述問(wèn)題，做了大量的設(shè)計(jì)。目前設(shè)計(jì)的面向森林輸電線路林火監(jiān)測(cè)的無(wú)人機(jī)吊艙系統(tǒng)，通過(guò)吊艙主體、減震裝置和相機(jī)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，該系統(tǒng)具有很好地處理復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)定位，但是該吊艙系統(tǒng)僅能夠針對(duì)森林輸電線路林火進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在其他方面工作能力較差[3]。另外，針對(duì)機(jī)載光電測(cè)試吊艙，相關(guān)學(xué)者還改進(jìn)了吊艙的結(jié)構(gòu)，有效地降低了吊艙的干擾力矩，從而提高吊艙運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性。但是該項(xiàng)研究?jī)H能夠?yàn)樘岣邤?shù)據(jù)傳輸效果提供間接支持，缺少直接改進(jìn)[4]。

針對(duì)目前雙光電力巡查吊艙數(shù)據(jù)傳輸研究較少的問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了一種新的雙光電力巡查吊艙高速穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于吊艙結(jié)構(gòu)較為特殊，因此設(shè)計(jì)的雙光電力巡查吊艙高速穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)必須要能夠在連續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并且要保證傳輸過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性。為了滿(mǎn)足上述要求，該文設(shè)計(jì)的雙光電力巡查吊艙高速穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由傳感器、變頻器、可編程控制器組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1 可知，通過(guò)ST-200 可編程控制器對(duì)變頻器進(jìn)行連接，該文針對(duì)變頻器、控制器和傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 變頻器設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)中引入了變頻器，變頻器不僅能夠降低系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的能耗，同時(shí)能夠提高傳輸效率，確保穩(wěn)定性。變頻器利用多個(gè)輔助電路將系統(tǒng)內(nèi)部的工頻電源轉(zhuǎn)換成中頻電源，使數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)變速運(yùn)行[5-6]。由于吊艙的工作結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此該文使用的變頻器為交-直-交變頻器，通過(guò)強(qiáng)迫換流的方式使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)二次換能，雖然與傳統(tǒng)的交-交變頻器相比，工作效率略低，但是內(nèi)部的元件數(shù)量更少，能夠在短時(shí)間內(nèi)提高元件的利用率，利用PWM 方式調(diào)節(jié)電壓，適用于吊艙內(nèi)部各種不同的裝置[7-8]。交-直-交變頻器的工作原理如圖2所示。

圖2 交-直-交變頻器工作原理

該文選用的交-直-交變頻器內(nèi)部的整流電路選用三相全波整流橋，用于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行整合，使用中間電路通過(guò)濾波處理完成脈動(dòng)電壓的濾波工作，確保信號(hào)在傳輸過(guò)程中質(zhì)量不會(huì)降低。逆變器選用IGBT 管作為開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)儲(chǔ)能元件完成信息緩沖[9]。

1.2 ST-200可編程控制器

ST-200 可編程控制器由中央處理器、存儲(chǔ)器和I/O 單元組成，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。ST-200 可編程控制器利用CPU 不斷采集信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行軟件程序完成一系列處理，并將處理后的信號(hào)輸出[10-11]。為了保證可編程控制器的運(yùn)行效果，同時(shí)設(shè)置了+10 V、+20 V 兩種開(kāi)關(guān)直流電源供控制器選擇。

圖3 ST-200可編程控制器結(jié)構(gòu)

1.3 傳感器

傳感器分為高分辨率成像CCD 傳感器和寬動(dòng)態(tài)成像CCD 傳感器，這兩組傳感器同時(shí)連接可見(jiàn)光成像鏡頭，這兩組傳感器能夠感知巡查區(qū)域的數(shù)據(jù)，并將得到的數(shù)據(jù)清晰成像，更好地顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容，方便工作人員查看[12]。同時(shí)連接紅外熱像儀，如果數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程出現(xiàn)高溫發(fā)熱點(diǎn)，需要標(biāo)識(shí)異常點(diǎn)溫度，顯示給工作人員，幫助工作人員及時(shí)處理。傳感器與GPS 實(shí)時(shí)連接，更好地獲取地理信息。傳感器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖4 可知，利用陀螺穩(wěn)定平臺(tái)框架支撐傳感器結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)光成像鏡頭和紅外成像鏡頭分開(kāi)連接不同的設(shè)備，能夠同時(shí)工作，疊加顯示數(shù)據(jù)信息，以便于更好地顯示圖像信息[13-14]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中利用傳感器成像，因此要分析成像數(shù)據(jù)的清晰度，相機(jī)的最大焦距和像元之間的關(guān)系如式（1）所示：

其中，α表示得到的攝像機(jī)分辨率；λ表示使用的攝像鏡頭焦距；表示像元尺寸。

景深計(jì)算公式如式（2）所示：

其中，L表示得到的景深結(jié)果；χ表示拍攝過(guò)程出現(xiàn)的彌散圈半徑；f表示數(shù)據(jù)傳輸之間的距離；ε表示鏡頭在拍攝過(guò)程中產(chǎn)生的光圈值。數(shù)據(jù)在傳遞過(guò)程中存在誤差，誤差計(jì)算公式如下：

其中，ω表示傳遞過(guò)程產(chǎn)生的誤差；a表示容許彌散圓直徑；?表示測(cè)速元件在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的姿態(tài)角；γ表示產(chǎn)生的幀頻[15]。

在得到數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程產(chǎn)生的誤差后，采用調(diào)節(jié)程序?qū)φ`差進(jìn)行校正，通過(guò)各項(xiàng)通道實(shí)現(xiàn)位置控制，提高系統(tǒng)的工作精度。

該文利用數(shù)據(jù)采集客戶(hù)端、服務(wù)器端以及其他端口配合系統(tǒng)硬件，設(shè)計(jì)軟件程序。雙光電力巡查吊艙高速穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件工作流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程

觀察圖5 可知，首先需要采集數(shù)據(jù)，選取特定的物理邏輯，實(shí)現(xiàn)布局布線；然后將采集的數(shù)據(jù)打包，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)特性生成不同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。根據(jù)用戶(hù)協(xié)議完成選擇，數(shù)據(jù)打包可以防止延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，降低復(fù)雜程度，以串行的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。封裝數(shù)據(jù)的過(guò)程中，能夠正確完成識(shí)別，如果數(shù)據(jù)線路的首尾不是開(kāi)始和結(jié)束，需要重新定位檢測(cè)，分析是否存在差錯(cuò)，并對(duì)內(nèi)部的協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展。利用數(shù)據(jù)幀實(shí)現(xiàn)打包，檢測(cè)打包的數(shù)據(jù)是否存在異常，如果數(shù)據(jù)不存在異常，則可以直接將信號(hào)同步，如果數(shù)據(jù)存在異常，需要對(duì)單路信號(hào)進(jìn)行再次調(diào)理，借助傳感器輸出信號(hào)，通過(guò)邏輯控制判斷信號(hào)的傳輸方式，檢測(cè)數(shù)據(jù)是否中斷[16]。如果存在中斷，需要同步信號(hào)，恢復(fù)并行信號(hào)，將信號(hào)緩存；如果不存在中斷，則可以直接解析數(shù)據(jù)流，完成數(shù)據(jù)流解析后輸出結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為測(cè)試該文提出的雙光電力巡查吊艙高速穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。雙光電力巡查吊艙平均飛行速度為90 km/h，飛行的最大高度可以達(dá)到1 200 m，吊艙運(yùn)行的最低溫度為-20 ℃，巡檢區(qū)域的風(fēng)速為10 m/s，吊艙在巡檢區(qū)域的能見(jiàn)度在10 km以上。信號(hào)傳播方向如圖6所示。

圖6 信號(hào)傳播方向

根據(jù)圖6 可知，信號(hào)從吊艙電源流出，最終傳入檢測(cè)器。利用ISE 對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，得到數(shù)據(jù)運(yùn)行的時(shí)序如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)運(yùn)行時(shí)序

根據(jù)圖7可知，該文研究的并行數(shù)據(jù)位寬為12位，由硬件接收器接收數(shù)據(jù)，再由發(fā)送端輸出數(shù)據(jù)。對(duì)比該文系統(tǒng)硬件接收器得到的并行數(shù)據(jù)和發(fā)送端發(fā)送的并行數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)二者完全相同，雖然存在一定的延時(shí)時(shí)間，但是僅為90 ns，可見(jiàn)系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中延時(shí)較小、數(shù)據(jù)傳輸精準(zhǔn)度較高。

為了更好地判斷該文提出的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸精準(zhǔn)度，提取發(fā)送端與接收端的信號(hào)并展開(kāi)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。根據(jù)圖8 可知，該文系統(tǒng)數(shù)據(jù)在0～5 000 中遞變，并行數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)的波形，接收端波形與發(fā)送端波形完全一致。造成這種現(xiàn)象的原因是，該文系統(tǒng)為了使數(shù)據(jù)在傳感器內(nèi)部能夠更好地傳輸，利用千兆以太網(wǎng)接入光纖滑環(huán)技術(shù)以及USB3.0 接入光纖滑環(huán)技術(shù)，確保得到的高清照片和紅外數(shù)據(jù)流錄像數(shù)據(jù)能夠順利地在高速鏈路上傳輸，提高傳輸帶寬，使設(shè)備在高速傳輸鏈路上能夠更穩(wěn)定地運(yùn)行。

圖8 雙光電力吊艙系統(tǒng)數(shù)據(jù)波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該文針對(duì)雙光電力巡查吊艙設(shè)計(jì)了一種新的高速穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有很好的傳播能力，得到的數(shù)據(jù)精度更高，同時(shí)具有很好的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)雖然在數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、工作效率和精度上進(jìn)行了優(yōu)化，但是針對(duì)圖片分辨率的研究較少，日后將在該方面進(jìn)一步深入研究。