王大川　耿偉　褚洪雷　黃雪飛

摘要：隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，無人機(jī)進(jìn)行輸電線路巡檢時(shí)，常常存在與輸電線路發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，為解決無人機(jī)巡線系統(tǒng)及輸電線路運(yùn)行安全存在的問題，本文對(duì)超聲波傳感器、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和雙目攝像機(jī)等不同的障礙檢測(cè)傳感器進(jìn)行指標(biāo)性能分析，基于毫米波雷達(dá)傳感器設(shè)計(jì)了輸電線路規(guī)避系統(tǒng)，基于毫米波雷達(dá)采集到的障礙信息，采用恒虛警算法和多目標(biāo)檢測(cè)算法，設(shè)計(jì)了自主動(dòng)態(tài)規(guī)避算法，能夠適應(yīng)雜波邊緣和多目標(biāo)干擾環(huán)境，且只需進(jìn)行一次模糊數(shù)遍歷，即可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的檢測(cè)，采用流體擾動(dòng)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)巡線航路的實(shí)時(shí)規(guī)劃。試驗(yàn)結(jié)果表明，輸電線路規(guī)避系統(tǒng)對(duì)輸電導(dǎo)線和地線的測(cè)試范圍在50m左右，誤差小于1m，規(guī)避效果良好，對(duì)保障無人機(jī)巡檢系統(tǒng)和輸電線路運(yùn)行安全具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：輸電線路;無人機(jī);毫米波雷達(dá);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(jì)90年代，直流電研發(fā)成功，但當(dāng)時(shí)技術(shù)難以提升直流輸出的電壓，在19世紀(jì)末被交流輸電替代，交流電于20世紀(jì)開始正式成為電氣化時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(shí)修復(fù)和更換。

1 技術(shù)路線

在輸電線路無人機(jī)智能巡檢管理系統(tǒng)建立的時(shí)候，工作人員需要對(duì)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(jì)多層技術(shù)實(shí)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(jī)電路巡檢業(yè)務(wù)實(shí)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(chǔ)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(duì)C/S結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)別富媒體、管理作業(yè)、電網(wǎng)拓?fù)渑c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(shí)別飛行圖像信息、統(tǒng)計(jì)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(jī)智能巡檢系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)范疇，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)訪問過程的控制管理及儲(chǔ)存無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)中數(shù)據(jù)。

2 無人機(jī)巡檢的輸電線路規(guī)避系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 折疊型邊緣耦合帶狀線濾波器設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)的平行線邊緣耦合濾波器單一方向長(zhǎng)度過大，無法實(shí)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(huì)引起寄生電感和寄生電容，需要對(duì)傳統(tǒng)濾波器的尺寸進(jìn)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(gè)元件得到濾波器的結(jié)構(gòu)。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

依據(jù)無人機(jī)立體智能巡檢應(yīng)用平臺(tái)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(jī)構(gòu)化數(shù)據(jù)等類型。并與其他系統(tǒng)進(jìn)行集成數(shù)據(jù)交互，保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、唯一性、準(zhǔn)確性。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包含基本臺(tái)賬信息。其包括無人機(jī)臺(tái)賬信息、備品備件信息、駕駛員信息、供應(yīng)商信息、設(shè)備臺(tái)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(qǐng)記錄數(shù)據(jù)、飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)、飛行申請(qǐng)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(jī)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(jī)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(jī)巡檢系統(tǒng)運(yùn)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(jī)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(jì)劃任務(wù)數(shù)據(jù)、飛行監(jiān)控?cái)?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(jī)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(tái)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(jī)巡檢系統(tǒng)主體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，是空域申請(qǐng)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(jì)劃任務(wù)數(shù)據(jù)是無人機(jī)巡檢系統(tǒng)中開展計(jì)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(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢任務(wù)從計(jì)劃到執(zhí)行的管理，保證飛行有計(jì)劃、有執(zhí)行。飛行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)是無人機(jī)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(shí)現(xiàn)無人機(jī)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(jī)巡檢系統(tǒng)中管理的無人機(jī)輸電線路巡檢任務(wù)對(duì)應(yīng)的飛行成果數(shù)據(jù)。主要實(shí)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(jì)

選用LTCC多層技術(shù)進(jìn)行腔體設(shè)計(jì)，從而提高輸電線路規(guī)避系統(tǒng)的通用性，滿足無人機(jī)掛載要求，實(shí)現(xiàn)毫米波雷達(dá)的小型化設(shè)計(jì)。LTCC收發(fā)組件集成度高，必須對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)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(zhǎng)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(gè)通孔的距離為s，電磁波在LTCC介質(zhì)中的波長(zhǎng)為λ?；刹▽?dǎo)的電磁場(chǎng)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(chǎng)輻射損耗越低。根據(jù)理論分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)s<λ，s<4d時(shí)，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(jì)中，根據(jù)國(guó)內(nèi)LTCC加工工藝和設(shè)計(jì)指標(biāo)需要，采用多個(gè)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(jì)更靈活。基于多個(gè)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(shí)也提供了可靠性和環(huán)境保護(hù)。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(zhǎng)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(yuǎn)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?zhàn)钚　?/p>

結(jié)語

基于LTCC技術(shù)和毫米波雷達(dá)，設(shè)計(jì)的輸電線路規(guī)避系統(tǒng)滿足大型無人機(jī)的掛載要求，可實(shí)現(xiàn)在50m距離對(duì)輸電導(dǎo)線和地線的檢測(cè)，檢測(cè)誤差小于1m，系統(tǒng)檢測(cè)可靠性高，通過對(duì)檢測(cè)到的障礙物信息和線路位置信息的解算，進(jìn)行規(guī)避動(dòng)作。對(duì)提高無人機(jī)可靠性，保障無人機(jī)巡檢系統(tǒng)和輸電線路運(yùn)行安全具有重要的意義。

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