郭 昊，劉書山，劉蘭蘭，徐 溧，肖喬莎，陳 彬*

(1.智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備(機器人)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410100；2.帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國網(wǎng)公司實驗室，湖南 長沙 410100；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓輸電公司，湖南 衡陽 421002；4.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

隨著輸電線路規(guī)模的不斷增大,故障率隨之增高,為了保證輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,帶電作業(yè)成為解決輸電線路故障的必要手段。隨著無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)在電網(wǎng)系統(tǒng)中的大規(guī)模使用,利用無人機解決輸電線路故障成為趨勢,例如無人機高空安全監(jiān)護、清理輸電線路異物、清洗絕緣子串等[1-2]。無人機在執(zhí)行上述任務(wù)的過程中需靠近輸電線路,但此時會受到導(dǎo)線發(fā)出的無線電干擾而影響其正常工作,確定合理的屏蔽措施將提高無人機抗干擾能力,能更好地保障輸電線路穩(wěn)定運行。因此,對電力無人機的抗干擾屏蔽罩展開研究具有重要的工程應(yīng)用價值。

國內(nèi)外學(xué)者針對電力無人機的研究較多,但主要集中在無人機電磁場避障策略[3-4]、輸電線路故障檢測[5]等方面,針對電力無人機的飛行安全主要考慮使無人機與輸電線路保持一定距離,并未從無人機本身出發(fā),提高其抗干擾能力。文獻[6]通過電磁場仿真計算出距輸電線路不同方位處的無人機機身電場和磁場,根據(jù)無人機電磁場保護閾值來確定無人機的電磁防護安全距離。但當(dāng)無人機執(zhí)行帶電作業(yè)任務(wù)需靠近輸電線路時,必須提高其抗干擾能力。目前,提高無人機抗干擾能力的主要措施是施加屏蔽罩,文獻[7]分析了強電磁輻射下無人機的電磁耦合路徑和毀傷效應(yīng),針對無人機的光電系統(tǒng)、天線端口及機體部分分別給出了施加屏蔽網(wǎng)柵、高性能導(dǎo)電膜及孔洞類屏蔽罩的方法,但該研究只停留在理論階段,并未將上述方法具體應(yīng)用到無人機上驗證其可行性。文獻[8]為了研究無人機外殼的屏蔽效能,基于數(shù)值仿真計算了電磁波輻射方向?qū)o人機內(nèi)部電磁場分布的影響,得到了無人機殼體的屏蔽效能隨屏蔽材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的變化規(guī)律,但未考慮無人機外殼的散熱開孔對其屏蔽效能的影響。對無人機施加屏蔽罩必須考慮不同散熱開孔結(jié)構(gòu)對其屏蔽效果的影響,并針對屏蔽罩的孔縫結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,求解出滿足無人機抗擾度閾值的設(shè)計方案。對于屏蔽罩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題,目前尚未有文獻針對電力無人機展開研究,但在絕緣子電場屏蔽方面,文獻[9]通過有限元計算屏蔽罩對交流盆式絕緣子表面電場分布的影響,將屏蔽罩的設(shè)計變量進行多項式擬合,并采用遺傳算法對屏蔽罩結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,求解出屏蔽效果最佳的設(shè)計方案,該研究對電力無人機抗干擾屏蔽罩的優(yōu)化設(shè)計具有一定參考意義。

針對上述問題,首先對輸電線路的無線電干擾場強進行計算,通過矩量法求解無人機屏蔽前的受干擾程度。然后建立屏蔽罩的三維仿真模型,對比不同材料及開孔形狀屏蔽罩的屏蔽效果并確定其優(yōu)化參量,通過正交試驗并結(jié)合仿真計算出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下屏蔽罩后的無人機內(nèi)部場強。最后,通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對上述數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練和預(yù)測,確定屏蔽罩的最佳設(shè)計方案,并通過仿真驗證其屏蔽效果。

1 無人機帶電作業(yè)無線電干擾水平

要計算出無人機帶電作業(yè)無線電干擾水平,首先需要通過模擬電荷法計算出輸電線路表面最大電場強度,進而根據(jù)無線電干擾頻譜特性公式計算出輸電線路附近的無線電干擾場強。以導(dǎo)線周圍無線電干擾場強計算結(jié)果為激勵源,通過矩量法仿真計算出輸電線路對無人機的無線電干擾水平。

1.1 基于模擬電荷法的導(dǎo)線表面最大場強求解

國際無線電干擾特別委員會推薦的交流輸電線路無線電干擾場強計算的經(jīng)驗公式可用于直接求解與基準點位于同一水平面的無線電干擾?；鶞庶c的定義為:距輸電線路邊相導(dǎo)線的水平距離為20 m,距地高度為2 m的點,根據(jù)該經(jīng)驗公式可計算基準點的無線電干擾場強為[10]:

E0=3.5Emax+12r-30,

(1)

式中:E0為基準點的無線電干擾場強,單位dB(μV/m);Emax為輸電導(dǎo)線表面最大電場強度,單位kV/cm;r為導(dǎo)線半徑,單位cm。

由式(1)可知,要求得基準點的無線電干擾場強首先需求解出輸電導(dǎo)線表面最大電場強度。目前,在輸電線路電場計算中常用的方法包括有限元法、矩量法、邊界元法及模擬電荷法等,相比之下,模擬電荷法計算原理簡便、實用性強,只需設(shè)置模擬電荷的類型、數(shù)量及位置,即可通過數(shù)值計算公式求解場域內(nèi)任意一點的場強[11]。通過模擬電荷法求解輸電導(dǎo)線表面最大場強的運算流程如圖1所示。

圖1 模擬電荷法運算流程Fig.1 Operation flowchart of charge simulation method

求解得到模擬電荷值后,可計算出輸電導(dǎo)線表面的平均電場強度Ea為[12]:

(2)

式中:Qi為相導(dǎo)線上的模擬電荷,單位C;n為導(dǎo)線的分裂數(shù),ε0為真空介電常數(shù),r為導(dǎo)線半徑,單位cm。

輸電導(dǎo)線表面的最大電場強度Emax為:

(3)

式中:R1為分裂導(dǎo)線的外接圓半徑,單位cm。

1.2 輸電線路無線電干擾場強求解

國際無線電干擾特別委員會根據(jù)全世界范圍的統(tǒng)計結(jié)果歸納出輸電線路的無線電干擾頻譜特性和橫向特性,表示為[10]:

(4)

式中:E為與基準點同一水平面上某點的無線電干擾場強,單位dB(μV/m);f為無線電干擾頻率,單位MHz;d1為該點距輸電線路邊相導(dǎo)線的距離,單位m。

根據(jù)式(4)可計算出與基準點位于同一水平面,即距地高度為2 m的平面內(nèi)任意一點在不同頻率下的無線電干擾場強。但無人機執(zhí)行帶電作業(yè)任務(wù)時,與輸電線路近似位于同一高度,因此,要計算無人機在執(zhí)行帶電作業(yè)任務(wù)時受到的無線電干擾,需先求解出與輸電線路位于同一高度上其輻射的無線電干擾場強。由式(4)計算得到的地面端無線電干擾場強,可根據(jù)電磁波在空氣中的傳播損耗反演求出線路端輸電導(dǎo)線輻射的無線電干擾場強。根據(jù)弗里斯傳輸公式可得電磁波在空氣中的傳播損耗為[13]:

(5)

式中:L為電磁波自由空間損耗,單位dB;Pt為發(fā)射點電磁波功率,單位dBm;Pr為接收點電磁波功率,單位dBm;d2為傳播距離,單位km。

由于電磁波在空氣中的傳播損耗是以功率計算的,因此需要將式(4)計算得到的無線電干擾場強轉(zhuǎn)化為功率。當(dāng)輻射點與輻射源之間的距離為R時,輻射點的功率密度Pd為[14]:

(6)

式中:P(W)為輻射點的功率,單位W;R為輻射點與輻射源之間的距離,單位m。

若以電場強度表示輻射點的功率密度,則:

(7)

式中:E(V/m)為輻射點的電場強度,單位V/m;Z0為自由空間的特性阻抗,取值為120π。

將式(6)和式(7)聯(lián)立求解可得:

(8)

為了與式(4)和式(5)中的無線電干擾場強及輻射功率的單位相對應(yīng),可將式(8)轉(zhuǎn)化為:

(9)

式中:E為無線電干擾場強,單位dB(μV/m)。

將式(9)代入式(5)可求得線路端發(fā)射的電磁波功率Pt為:

(10)

根據(jù)式(9)可計算出線路端無人機所在位置處的無線電干擾場強Et為:

(11)

式中:R2為無人機距離輸電導(dǎo)線之間的距離,單位m。

若將Et以V/m為單位表示,則:

(12)

以某500 kV輸電線路為例,導(dǎo)線水平排列,對地高度為31 m,導(dǎo)線采用四分裂導(dǎo)線,分裂間距為40 cm,半徑為1.75 cm,相間距為10 m,輸電線路產(chǎn)生的無線電干擾頻率在0.15～10 MHz[15],當(dāng)無人機與輸電導(dǎo)線位于同一高度且與導(dǎo)線之間的水平距離為1 m時,根據(jù)式(12)可求出不同頻率下無人機所在位置處的無線電干擾場強,如圖2所示。

圖2 不同頻率下無線電干擾強度Fig.2 Radio interference intensity at different frequencies

由圖2可知,輸電線路產(chǎn)生的無線電干擾頻譜主要分布在0.15～4 MHz,當(dāng)頻率大于4 MHz時,無線電干擾場強較小,接近于0,與文獻[16]結(jié)論一致,驗證了本文無線電干擾場強求解方法的正確性。

1.3 無人機帶電作業(yè)無線電干擾仿真計算

無人機在執(zhí)行帶電作業(yè)任務(wù)時受到的無線電干擾超過閾值時,其內(nèi)部電子元器件因起暈或拉弧會導(dǎo)致性能降低或丟失,甚至造成墜機事件[17]。為了保證無人機正常工作,國家標準規(guī)定,民用輕小型無人機輻射抗擾度閾值不應(yīng)超過10 V/m[18]。為了探究輸電線路產(chǎn)生的無線電干擾對無人機內(nèi)部電子元器件的干擾程度,選取電網(wǎng)常用的大疆御2行業(yè)進階版無人機作為研究對象,該型無人機具有機身輕巧、定位精準及支持六向避障等優(yōu)點,機身使用碳纖維復(fù)合材料,尺寸為322 mm×242 mm×84 mm,其實物如圖3(a)所示。通過三維實體模擬軟件建立其三維仿真模型如圖3(b)所示。

(a)無人機實物

(b)仿真模型

為了探究無人機距離上述某500 kV輸電線路1 m處受到的最大干擾,選擇輸電線路產(chǎn)生的無線電干擾最大值,即頻率為2.7 MHz,無線電干擾場強為443.4 V/m的情況進行仿真。仿真基于FEKO軟件進行,求解方法為矩量法[19],采用平面波輻照的方式,設(shè)置平面波幅值為443.4 V/m,方向在0°～360°,觀測點位于無人機內(nèi)部,可得到平面波不同輻射方向下無人機內(nèi)部場強的方向圖如圖4所示。

由圖4可知,無人機在執(zhí)行帶電作業(yè)任務(wù)的過程中距離輸電線路為1 m時,其內(nèi)部場強超過國家標準規(guī)定的無人機抗擾度閾值。因此,為保證無人機正常工作,需對無人機施加屏蔽罩。

圖4 無人機內(nèi)部場強方向Fig.4 Field strength pattern inside UAV

2 電力無人機屏蔽罩設(shè)計

2.1 屏蔽罩設(shè)計參量的確定

采用屏蔽罩可以降低輸電線路對無人機的無線電干擾,屏蔽罩的屏蔽效果與屏蔽罩的材質(zhì)及散熱開孔的個數(shù)、形狀、間距等因素有關(guān)。金屬材料在電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率性能方面具有優(yōu)勢,是實現(xiàn)電磁屏蔽的主要材料。典型的金屬屏蔽材料包括金、銀、銅、鋁、納米晶及坡莫合金等[20],但由于金、銀、銅等材質(zhì)屏蔽罩造價昂貴,在實際工程中應(yīng)用較少,故本文主要對比鋁、納米晶及坡莫合金的屏蔽效果,上述3種材料的參數(shù)如表1所示。

考慮到無人機旋翼與機身之間的距離,設(shè)置屏蔽罩與無人機機身之間的距離為5 mm,屏蔽罩厚度為1 mm,開孔形狀為方形,散熱開孔面積為5 000 mm2,開孔數(shù)量為60,建立無人機屏蔽罩仿真模型如圖5所示。

圖5 無人機屏蔽罩仿真模型Fig.5 Simulation model of UAV shield

與上述仿真類似,將無人機屏蔽罩仿真模型導(dǎo)入FEKO軟件中,設(shè)置平面波幅值為443.4 V/m,在0.15～10 MHz施加上述3種材料屏蔽罩后無人機內(nèi)部場強如圖6所示。

圖6 不同材料屏蔽效果對比Fig.6 Comparison of shielding effects of different materials

綜合對比上述3種材料的屏蔽效果可知,鋁型材屏蔽罩的屏蔽效果比其余2種好,故確定電力無人機抗干擾屏蔽罩的材質(zhì)為鋁。

不同散熱開孔形狀對無人機屏蔽罩的屏蔽效果影響較大[21],因此,對比分析圓形、方形及長方形開孔形狀的屏蔽效果,保持上述3種形狀的開孔面積相同,經(jīng)仿真得到不同開孔形狀的屏蔽效果如圖7所示。

圖7 不同開孔形狀屏蔽效果對比Fig.7 Comparison of shielding effects of different opening shapes

由圖7可知,屏蔽罩采用方形開孔時,其屏蔽效果比其余2種好,故選擇電力無人機抗干擾屏蔽罩的散熱開孔形狀為方形。另外,無人機屏蔽罩的屏蔽效果還與散熱開孔的數(shù)量n、孔縫與屏蔽罩邊緣的間距d1及孔縫間距d2有關(guān),其示意如圖8所示。開孔數(shù)量的變化會導(dǎo)致開孔大小、孔縫間距發(fā)生改變,但需保證開孔面積保持不變。

圖8 屏蔽效果影響因素示意Fig.8 Schematic diagram of factors affecting shielding effect

屏蔽后的無人機內(nèi)部場強與屏蔽罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)d1、d2、n之間是一種多維非線性函數(shù)映射關(guān)系,上述結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍較為寬泛,依靠窮舉法很難確定屏蔽效果最佳的設(shè)計方案。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強大的多維非線性映射能力,對解決此類結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題具有一定的優(yōu)勢。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練輸入/輸出數(shù)據(jù)即可得到輸入與輸出之間的多維非線性特性[22],從而建立屏蔽罩結(jié)構(gòu)參數(shù)與無人機內(nèi)部場強之間的關(guān)系。因此將d1、d2、n作為電力無人機屏蔽罩的設(shè)計變量,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定屏蔽效果最佳的方案。

2.2 基于正交試驗的屏蔽罩結(jié)構(gòu)設(shè)計

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型需要一定的樣本數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練,從而得到輸入與輸出之間的多維非線性特性,因此首先需要通過FEKO仿真得到不同屏蔽罩結(jié)構(gòu)參數(shù)下的無人機內(nèi)部場強以供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。為了使樣本數(shù)據(jù)具有代表性,從而提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準確性,采用正交試驗法來確定仿真方案。

在滿足屏蔽罩外形尺寸的約束下,確定不同正交方案下d1、d2的取值為10、15、20、25、30、35、40 mm,n的取值為60、80、100、120、140、160、180。根據(jù)正交試驗原理[23],可采用三因素七水平正交試驗方案來探究不同屏蔽罩結(jié)構(gòu)參數(shù)與無人機內(nèi)部場強之間的關(guān)系,正交試驗方案及結(jié)果如表2所示。

由表2可知,屏蔽罩散熱開孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)對屏蔽效果的影響較大,不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下無人機內(nèi)部場強最大差異可達83.55%。上述結(jié)構(gòu)參數(shù)取值下無人機內(nèi)部場強均大于10 V/m,超過無人機抗擾度閾值,因此還需進一步優(yōu)化屏蔽罩的開孔結(jié)構(gòu)。

續(xù)表

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的屏蔽罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿人或動物神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的運行方式而建立的數(shù)學(xué)模型,具有非線性映射、自主學(xué)習(xí)及自組織適應(yīng)性等優(yōu)勢,在各學(xué)科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[24]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要由神經(jīng)元通過權(quán)重連接而成,包括輸入層、隱層及輸出層3層結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of BP neural network model

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括正向傳播和反向傳播2個流程。正向傳播流程首先由輸入層神經(jīng)元對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下無人機內(nèi)部場強進行讀取并傳遞至隱層神經(jīng)元,隱層神經(jīng)元對接收到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換處理并傳遞到輸出層。當(dāng)訓(xùn)練輸出與實際數(shù)據(jù)的誤差超過預(yù)期時,開始進入反向傳播流程,輸出層作為初始端,使用誤差下降法對每層上的誤差權(quán)值和閾值進行修正并傳播至隱層和輸入層[25]。當(dāng)訓(xùn)練輸出與實際數(shù)據(jù)誤差減小到期望值以下或到達最大迭代次數(shù)后結(jié)束訓(xùn)練,得到屏蔽罩結(jié)構(gòu)參數(shù)與無人機內(nèi)部場強之間的多維非線性映射關(guān)系。最后,通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測不同屏蔽罩結(jié)構(gòu)參數(shù)下的無人機內(nèi)部場強。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運算流程如圖10所示。

圖10 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算流程Fig.10 Operation flowchart of BP neural network

訓(xùn)練輸出與實際數(shù)據(jù)誤差e的計算公式定義如下:

●用有機硅功能肥與硅谷農(nóng)科院培育的“硅谷829”高產(chǎn)小麥新品種，在2017年試驗田畝產(chǎn)達到974公斤，創(chuàng)中國小麥歷史最高紀錄。

(13)

式中:d(k)為實際數(shù)據(jù)的輸出,y(k)為訓(xùn)練輸出,n為樣本數(shù)據(jù)的組數(shù)。

輸入層與隱層權(quán)值ωih的更新公式為:

(14)

式中:hi為隱層輸入,r為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率,x為輸入樣本數(shù)據(jù),ωoh為隱層與輸出層的權(quán)值。

隱層與輸出層權(quán)值ωoh的更新公式為:

ωoh=ωoh+rhie。

(15)

輸入層與隱層閾值bh的更新公式為:

(16)

隱層與輸出層閾值bo的更新公式為:

bo=bo+e。

(17)

3.2 屏蔽罩優(yōu)化結(jié)果及屏蔽效果分析

為了驗證BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準確性,以上文通過正交試驗得到的49組仿真結(jié)果作為樣本數(shù)據(jù),令其中第7、13、19、25、31、37、43組作為預(yù)測的驗證數(shù)據(jù),其余作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。設(shè)置BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層節(jié)點數(shù)為3,隱層節(jié)點數(shù)為5,輸出層節(jié)點數(shù)為1,可得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練輸出如圖11所示,預(yù)測輸出如圖12所示。

圖11 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸出Fig.11 Training output of BP neural network

由圖12可知,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)之間的最大誤差為5.26%,平均誤差為2.04%,驗證了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的準確性。

圖13 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下無人機內(nèi)部場強Fig.13 Internal field strength of UAV under different structural parameters

由圖13可知,當(dāng)d1=17 mm、d2=12 mm、n=140時,無人機內(nèi)部場強最小為3.89 V/m,小于無人機抗擾度閾值。為了驗證無人機抗干擾屏蔽罩按照上述結(jié)構(gòu)進行散熱開孔的屏蔽效果與未屏蔽前類似,在2.7 MHz設(shè)置平面波幅值為443.4 V/m,方向為0°～360°,觀測點位于無人機內(nèi)部,可得到平面波不同輻射方向下屏蔽后無人機內(nèi)部場強的方向圖,如圖14所示。

圖14 屏蔽后無人機內(nèi)部場強方向圖Fig.14 Field strength pattern inside UAV after shielding

由圖14可知,不同平面波入射方向下屏蔽后的無人機內(nèi)部場強均小于無人機抗擾度閾值,當(dāng)平面波入射角度為155°時無人機內(nèi)部場強最大。提取出該入射方向下屏蔽罩表面感應(yīng)電流分布云圖,如圖15所示。

圖15 屏蔽罩表面感應(yīng)電流分布云圖Fig.15 Cloud chart of induced current distribution on the surface of shield

由圖15可知,屏蔽罩表面感應(yīng)電流分布較為均勻,開孔未導(dǎo)致其表面感應(yīng)電流路徑的劇烈變化,開孔方式符合要求。為了探究不同頻率下屏蔽后的無人機內(nèi)部場強大小,按照圖2所示的不同頻率下輸電線路無線電干擾場強施加輻射源,得到不同頻率下屏蔽后無人機內(nèi)部場強如圖16所示。提取出無人機施加屏蔽罩前后其周圍電場分布云圖如圖17所示。

由圖16和圖17可知,在0.15～10 MHz屏蔽后的無人機內(nèi)部場強均未超過無人機抗擾度閾值, 施加屏蔽罩后無人機周圍電場減小,電力無人機抗干擾屏蔽罩的設(shè)計滿足要求。

圖16 不同頻率下屏蔽后無人機內(nèi)部場強Fig.16 Internal field strength of UAV after shielding at different frequencies

(b)施加屏蔽罩

屏蔽罩在削弱輸電線路對無人機產(chǎn)生的無線電干擾的同時還應(yīng)保證不屏蔽無人機的控制信號。大疆御2行業(yè)進階版無人機的通信頻率為2.4 GHz,無人機天線位于腳架位置,遙控器發(fā)射功率為26 dBm,根據(jù)式(9)可得,遙控器的發(fā)射場強為0.12 V/m,將其作為平面波輻照的幅值,通過FEKO仿真可得2.4 GHz下無人機屏蔽前后天線接收場強的方向圖如圖18所示。

由圖18可知,在部分方向下屏蔽后無人機天線接收場強小于屏蔽前,但屏蔽前無人機天線接收場強的最小值為66.51 mV/m,屏蔽后所有方向下無人機天線接收場強均大于該值,因此,文中所設(shè)計的屏蔽罩不會影響無人機正常通信。

圖18 2.4 GHz下屏蔽前后無人機天線接收場強Fig.18 Receiving field strength of UAV antenna before and after shielding at 2.4 GHz

4 結(jié)論

本文對電力無人機抗干擾屏蔽罩進行優(yōu)化設(shè)計,得到主要結(jié)論如下:

①當(dāng)無人機與輸電線路之間的水平距離為1 m時,根據(jù)弗里斯傳輸公式反演計算得到在2.7 MHz下輸電線路無線電干擾場強最大為443.4 V/m。

②屏蔽罩的散熱開孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對屏蔽效果的影響較大,相同材料及開孔形狀下,不同結(jié)構(gòu)屏蔽罩的屏蔽效果最大差異達到83.55%。

③通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化了無人機抗干擾屏蔽罩散熱孔縫的結(jié)構(gòu),當(dāng)d1=17 mm、d2=12 mm、n=140時屏蔽效果最佳;通過仿真驗證了按上述結(jié)構(gòu)設(shè)計的屏蔽罩在不同方向、不同頻率下無人機內(nèi)部場強均未超過無人機抗擾度閾值,滿足國家標準的規(guī)定,所設(shè)計的屏蔽罩不會影響無人機的正常通信。本文的研究對于保證無人機帶電作業(yè)的安全及提高電力無人機的抗干擾能力具有一定的參考意義。