基于紅外與雷達(dá)一體化吊艙的直升機(jī)安全避障技術(shù)

王和平+汪駿+申?duì)幑?/p>

摘 要：針對(duì)紅外成像無(wú)法較遠(yuǎn)距離監(jiān)控和毫米波雷達(dá)無(wú)法描述目標(biāo)對(duì)象輪廓及視場(chǎng)角度的問(wèn)題，該文提出一種基于紅外和雷達(dá)一體化吊艙的安全避障技術(shù)，服務(wù)于我國(guó)電網(wǎng)直升機(jī)巡線作業(yè)。首先，基于直升機(jī)巡線的安全避障技術(shù)需求，分析紅外成像和毫米波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)特點(diǎn)；其次，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象輪廓成像和全方位空間測(cè)距，研發(fā)紅外視頻與雷達(dá)一體化吊艙系統(tǒng)，詳細(xì)給出硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)方案；最后，完成環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，總結(jié)系統(tǒng)性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：安全避障 紅外 毫米波雷達(dá) 吊艙 直升機(jī)

中圖分類號(hào)：TN958.98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（b）-0056-04

隨著輸電高壓等級(jí)的不斷提高，輸電線路的巡線作業(yè)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行越來(lái)越重要。隨著我國(guó)電網(wǎng)工程的不斷發(fā)展，超高壓、特高壓輸電線路將覆蓋全國(guó)，輸電線路距離長(zhǎng)、沿線地形復(fù)雜、輸電線路塔體很高，傳統(tǒng)人工巡線方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對(duì)山區(qū)和跨越大江大河的輸電線路的巡查，以及在冰災(zāi)、水災(zāi)、地震、滑坡、夜晚期間巡線檢查，所花時(shí)間長(zhǎng)、人力成本高、困難大，某些線路區(qū)域和某些巡檢項(xiàng)目人工巡查方法目前還難以完成。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)始轉(zhuǎn)向基于直升機(jī)或無(wú)人機(jī)的網(wǎng)巡作業(yè)方式，效率是地面人工巡視的20～30倍，為提升輸電線路巡視效率，推進(jìn)輸電設(shè)備精益化管理，全網(wǎng)輸電線路直升機(jī)巡視的作業(yè)需求日益迫切，該方式可及時(shí)發(fā)現(xiàn)人工巡視肉眼難以發(fā)現(xiàn)的缺陷，有力保障輸電線路運(yùn)行安全水平。直升機(jī)在行進(jìn)過(guò)程中主要靠人工識(shí)別飛機(jī)周邊障礙物情況，但在特殊情況或角度下，例如雨、霧、煙塵或其它復(fù)雜環(huán)境時(shí)，地面操控人員或機(jī)上駕駛?cè)藛T很難判別周邊環(huán)境，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)生多起飛行器碰撞墜毀事故，因此，飛行器避撞技術(shù)是直升機(jī)網(wǎng)巡作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。為此，該文介紹一種基于紅外視頻與雷達(dá)一體化吊艙的直升機(jī)安全避障系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案及其主要性能指標(biāo)，可為其它用途直升機(jī)或無(wú)人機(jī)的安全避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考意義。

1 安全避障系統(tǒng)方案分析及總體設(shè)計(jì)

1.1 方案分析

紅外成像和毫米波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)均是常見(jiàn)的兩種避障手段，但具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：（1）紅外成像技術(shù)是基于物體表面熱輻射的原理進(jìn)行無(wú)接觸溫度測(cè)量、熱狀態(tài)分析、熱輪廓描述，可在夜間及惡劣氣候條件下進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)控、溫度感知監(jiān)控、偽裝及隱蔽目標(biāo)識(shí)別、物體距離及輪廓描述，但由于探測(cè)效果不隨周圍光照條件的變化而變化，紅外成像技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的監(jiān)控；（2）毫米波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)可進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)距，且具有抗干擾能力強(qiáng)、指向性強(qiáng)、測(cè)量精度較高、小型化等優(yōu)點(diǎn)，適合作為直升機(jī)的自主避障系統(tǒng)傳感器，但由于毫米波雷達(dá)只能探測(cè)平行距離，無(wú)法描述目標(biāo)對(duì)象的輪廓和對(duì)象在視場(chǎng)中的角度。

基于紅外成像和毫米波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)的特性分析，本文將紅外成像技術(shù)和毫米波測(cè)距雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建紅外視頻與雷達(dá)一體化安全避障系統(tǒng)，充分發(fā)揮紅外輪廓成像和雷達(dá)遠(yuǎn)距離測(cè)距的優(yōu)勢(shì)。其中機(jī)載紅外吊艙作為避障系統(tǒng)的主傳感器，毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)作為安全避障系統(tǒng)的輔助傳感器。

1.2 方案總體設(shè)計(jì)

直升機(jī)紅外巡線吊艙安全避障系統(tǒng)主要由紅外巡線吊艙、5路毫米波雷達(dá)空間測(cè)距、主控計(jì)算機(jī)、駕駛員指示屏及專用電纜等組成，如圖1所示。其中，毫米波雷達(dá)測(cè)障系統(tǒng)安裝在機(jī)體四周，紅外吊艙安裝于機(jī)體下方，主控計(jì)算機(jī)安裝于駕駛室或由艙內(nèi)人員攜帶。

當(dāng)直升機(jī)進(jìn)行巡邏時(shí)，空間毫米波雷達(dá)測(cè)障系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前、后、左、右及地面高度五個(gè)方向的空間障礙物信息，并將數(shù)據(jù)傳輸至主控計(jì)算機(jī)；此外主控計(jì)算機(jī)在采集紅外視頻信息的同時(shí)接收測(cè)障系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過(guò)角度計(jì)算確認(rèn)包絡(luò)紅外吊艙當(dāng)前指向的測(cè)距子系統(tǒng)并將其測(cè)距數(shù)據(jù)疊加至視頻圖像輸出。系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合5路毫米波雷達(dá)測(cè)距子系統(tǒng)組成的測(cè)距傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)空間測(cè)障功能，同時(shí)采集機(jī)載紅外吊艙的視頻信號(hào)，以“圖形+數(shù)據(jù)”方式實(shí)時(shí)展示當(dāng)前5方向的空間障礙物狀態(tài)。當(dāng)直升機(jī)與障礙物距離過(guò)近時(shí)，以聲、光告警的方式提醒飛行員注意避讓。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

紅外視頻與雷達(dá)一體化安全避障系統(tǒng)如圖2所示。

2.1 毫米波雷達(dá)空間測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毫米波防撞測(cè)距系統(tǒng)可顯示各障礙物離飛行器的距離、方位、角度，可對(duì)各類障礙物的類別進(jìn)行評(píng)估，完成飛行器的合理避障。系統(tǒng)包含有五路毫米波防撞測(cè)距子系統(tǒng)，分別監(jiān)測(cè)前、后、左、右及高度五個(gè)方向的障礙物狀況，實(shí)時(shí)輸出動(dòng)態(tài)條件下飛行器與四周環(huán)境障礙物之間的距離，如圖3所示。

5路毫米波防撞測(cè)距子系統(tǒng)作為從傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS422/RS485總線與計(jì)算機(jī)組網(wǎng)，由計(jì)算機(jī)點(diǎn)名實(shí)現(xiàn)測(cè)距數(shù)據(jù)輪詢輸出實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。組網(wǎng)方式為一主+多從，即主控計(jì)算機(jī)為總線主設(shè)備，其余測(cè)距子系統(tǒng)為從設(shè)備。毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)不主動(dòng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，主控計(jì)算機(jī)向總線廣播數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令，指令中包含對(duì)應(yīng)請(qǐng)求對(duì)象傳感器的地址，當(dāng)測(cè)距子系統(tǒng)檢測(cè)到廣播指令中的地址與自身地址匹配一致后，向總線發(fā)出自身的測(cè)量數(shù)據(jù)，否則不回應(yīng)廣播數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令，以此實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)輪詢。

2.2 紅外巡線吊艙信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)需要接入PCI/PCI-E擴(kuò)展的視頻卡及數(shù)據(jù)通訊卡，普通筆記本電腦無(wú)法滿足要求，一般工控機(jī)體積過(guò)于龐大且需外部供電。綜合兩方面考慮，主控計(jì)算機(jī)采用通用X86架構(gòu)的便攜式加固工作站并外擴(kuò)擴(kuò)展塢及PCI接口功能板卡的方式實(shí)現(xiàn)。加固型工作站具有很好的防水、防摔及抗震性，可靠性高，適合野外或機(jī)載條件下的使用。紅外巡線吊艙信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)及接口數(shù)據(jù)流如圖4所示。

2.3 視頻采集卡

視頻采集卡采用?？低旸S-4300系列高清編碼卡，暫選型號(hào)為DS-4304HFH-E。性能特點(diǎn)及部分指標(biāo)如下：PCI-E接口，更高數(shù)據(jù)帶寬；產(chǎn)品運(yùn)行可靠穩(wěn)定；高性能低功耗；實(shí)時(shí)完成視頻和音頻壓縮，不丟幀；可設(shè)置編碼的幀格式；可設(shè)置圖像質(zhì)量和碼率；支持OSD、LOGO疊加和區(qū)域屏蔽提供完整SDK開(kāi)發(fā)包；支持Windows XP、Linux操作系統(tǒng)。

2.4 數(shù)據(jù)通訊卡

數(shù)據(jù)通訊卡選型為宇泰UT-712 485/422光電隔離轉(zhuǎn)換卡，PCI轉(zhuǎn)2路RS-485/422。性能指標(biāo)如下：PCI總線：32位；傳輸速率：高達(dá)115.2kbps；流控制：RTS/CTS XON/XOFF；工作溫度：0℃～70℃；光電隔離：隔離電壓2500 Vrms；接口保護(hù)：600 W浪涌保護(hù)、±15 kV靜電保護(hù)；傳輸距離：高達(dá)1200 m；支持系統(tǒng)：Windows XP、Linux驅(qū)動(dòng)。

2.5 紅外視頻與雷達(dá)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件集成紅外吊艙的控制接口及指令，用于同紅外吊艙的通訊及雙向控制，在某些設(shè)定條件下用戶可通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)紅外吊艙的進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制，亦可由紅外吊艙的某些狀態(tài)自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)軟件的特定功能，如自動(dòng)啟動(dòng)視頻錄像。

紅外視頻與雷達(dá)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)流示意圖如圖5所示。以主控計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)軟件為中心實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的通訊數(shù)據(jù)往來(lái)；以機(jī)載紅外吊艙俯仰角及方位角輸出信息為參考動(dòng)態(tài)切換與當(dāng)前紅外攝像頭指向?qū)?yīng)的某一臺(tái)毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)疊加進(jìn)視頻窗口；通過(guò)選定某一指向的毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)，控制機(jī)載紅外吊艙調(diào)整攝像頭的俯仰角及方位角使二者法向一致；以某一距離最小值為告警閾值，由毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)輸出值通過(guò)系統(tǒng)軟件自動(dòng)觸發(fā)紅外吊艙收回鏡頭，防止設(shè)備受損；以某一距離最小值為工作閾值，由毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)輸出值通過(guò)系統(tǒng)軟件自動(dòng)觸發(fā)紅外視頻錄像及拍照。

2.6 主控計(jì)算機(jī)選型

便攜式加固工作站選型為神基科技GETAC X500，部分技術(shù)指標(biāo)如下：全鎂鋁合金機(jī)殼，可防水、防塵、抗震耐摔；英特爾高性能處理器（酷睿i5-520M）；15寸陽(yáng)光下可讀的多點(diǎn)觸控顯示屏；離散圖形控制器NVIDIA GeForce GT330M；整機(jī)可夜視功能，可插拔防震硬盤(pán)、多媒體擴(kuò)展艙和PCI/PCIe擴(kuò)充槽；電池板續(xù)航時(shí)間大于10 h。

2.7 電磁兼容性設(shè)計(jì)

結(jié)合直升機(jī)及其電子系統(tǒng)的電磁環(huán)境的特點(diǎn)，按照技術(shù)規(guī)范對(duì)電磁環(huán)境適應(yīng)性的要求，從系統(tǒng)布局、內(nèi)部布線、電磁屏蔽加固、電路板設(shè)計(jì)、元器件選擇等方面進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。采取的措施有：在電源輸入端加EMC電源濾波器；輸入、輸出插頭座采用電磁屏蔽插頭座；采取強(qiáng)度弱信號(hào)相互隔離，避免強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱小信號(hào)的干擾；產(chǎn)品布線時(shí)，對(duì)于如電機(jī)電源等高頻、強(qiáng)信號(hào)，工藝上采取正負(fù)級(jí)絞接地方法布線；在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，采用多層板，設(shè)計(jì)專門(mén)電源層，吸收板上器件的電磁輻射；所有分系統(tǒng)內(nèi)部的干擾源或敏感器進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計(jì)。作為屏蔽體的外殼選用導(dǎo)電性能良好的金屬材料，接口處的表面處理采用導(dǎo)電氧化處理，保證各屏蔽體良好連接，消除漏磁縫隙，以提高屏蔽效能。嚴(yán)格控制屏蔽體開(kāi)口、孔洞、縫隙的數(shù)量、位置和大小，盡量避免降低屏蔽效能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 工作模式

基于紅外視頻與雷達(dá)一體化吊艙的安全避障系統(tǒng)工作狀態(tài)分為自檢階段和工作階段：

（1）自檢階段。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化并自檢，自檢內(nèi)容有：通過(guò)數(shù)據(jù)通訊端口接收紅外吊艙系統(tǒng)狀態(tài)信息，判斷吊艙是否進(jìn)入正常工作狀態(tài)；通過(guò)對(duì)5路毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)分別進(jìn)行點(diǎn)名及數(shù)據(jù)讀取，判斷各個(gè)雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)是否進(jìn)入正常工作狀態(tài)；視頻采集卡檢測(cè)，判斷視頻采集卡通道是否正常打開(kāi)，對(duì)應(yīng)視頻信號(hào)接入正常；錄像區(qū)硬盤(pán)空間檢測(cè)，確認(rèn)錄像區(qū)硬盤(pán)剩余空間充足。

（2）工作階段。工作階段系統(tǒng)啟動(dòng)如下功能有：實(shí)時(shí)接收各方向測(cè)距信息，動(dòng)態(tài)展示空間障礙物狀態(tài)；響應(yīng)使用人員的操作；直升機(jī)進(jìn)入與障礙物的危險(xiǎn)距離后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行聲光告警；觸發(fā)自動(dòng)錄像及拍照，觸發(fā)條件需與用戶進(jìn)一步協(xié)商。

3.2 軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

軟件采用可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual Studio開(kāi)發(fā)，語(yǔ)言為C++；調(diào)用單機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)Microsoft Access進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)維護(hù)，數(shù)據(jù)庫(kù)查詢控制語(yǔ)言為SQL，并集成調(diào)用視頻采集卡、數(shù)據(jù)通信卡等硬件設(shè)備的底層SDK，軟件開(kāi)發(fā)層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

系統(tǒng)軟件運(yùn)行環(huán)境即操作系統(tǒng)為微軟Windows 7或Windows xp，軟件運(yùn)行兼容32位和64位操作系統(tǒng)。軟件主界面基于Microsoft MFC單文檔應(yīng)用程序模板SDI開(kāi)發(fā)，基本界面示意圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試及性能指標(biāo)

4.1 環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試

（1）高溫工作：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到+55℃溫度時(shí)，保持2 h后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（2）高溫存儲(chǔ)：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到+65℃溫度時(shí)，保持2 h后，待系統(tǒng)恢復(fù)到常溫進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（3）低溫工作：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到-20℃溫度時(shí)，保持2 h后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（4）低溫存儲(chǔ)：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到-40 ℃溫度時(shí)，保持2 h后，待系統(tǒng)恢復(fù)到常溫進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（5）溫度沖擊檢驗(yàn)：將系統(tǒng)置入溫度沖擊試驗(yàn)箱的低溫箱內(nèi)將箱內(nèi)溫度降到-40 ℃保持2 h，然后在1 min的時(shí)間內(nèi)將系統(tǒng)移入溫度為+55 ℃的高溫箱內(nèi)保持2 h，然后將溫度恢復(fù)到常溫進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（6）溫度-高度檢驗(yàn)：將系統(tǒng)放置在試驗(yàn)箱內(nèi)，將試驗(yàn)箱內(nèi)的大氣壓力降到75.2 kPa，同時(shí)將試驗(yàn)箱內(nèi)溫度在低溫-20 ℃和高溫+50 ℃進(jìn)行循環(huán)（在低溫-20 ℃和高溫+55 ℃的保持時(shí)間分別為1 h），進(jìn)行1個(gè)周期的循環(huán)。試驗(yàn)后進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（7）電磁兼容檢驗(yàn)：按《GB/T17626.2 電磁兼容靜電放電抗擾度試驗(yàn)》和《GB/T17626.6電磁兼容工頻磁場(chǎng)抗擾度》進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

4.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)性能指標(biāo)如表1所示。

5 結(jié)論

為解決智能電網(wǎng)直升機(jī)網(wǎng)巡作業(yè)在復(fù)雜環(huán)境下的安全避障問(wèn)題，該文提出了一種基于紅外和雷達(dá)一體化吊艙的飛行器避障技術(shù)，充分結(jié)合紅外成像和毫米波雷達(dá)分別在目標(biāo)對(duì)象輪廓及視場(chǎng)角度感知和遠(yuǎn)距離監(jiān)控探測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)；完成了基于紅外和5路毫米波雷達(dá)空間測(cè)距的吊艙系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。通過(guò)對(duì)各種環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果分析，避障系統(tǒng)的測(cè)距范圍可覆蓋10～1000 m，測(cè)距精度可滿足±（1+0.03H） m，距離分辨率不大于1 m，工作頻率在Ku或mm波段，波束寬度為6×6度，輻射功率不小于23 dBm，數(shù)據(jù)更新率為20 ms。飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可滿足直升機(jī)電力巡線的避障需求，同時(shí)還可對(duì)其它用途的直升機(jī)/無(wú)人機(jī)安全避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考意義。

參考文獻(xiàn)

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[2] 趙永，姚連鈺，李松維，等.直升機(jī)紅外成像仿真模型研究[J].仿真技術(shù)，2010（12）：209-212.

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2.4 數(shù)據(jù)通訊卡

數(shù)據(jù)通訊卡選型為宇泰UT-712 485/422光電隔離轉(zhuǎn)換卡，PCI轉(zhuǎn)2路RS-485/422。性能指標(biāo)如下：PCI總線：32位；傳輸速率：高達(dá)115.2kbps；流控制：RTS/CTS XON/XOFF；工作溫度：0℃～70℃；光電隔離：隔離電壓2500 Vrms；接口保護(hù)：600 W浪涌保護(hù)、±15 kV靜電保護(hù)；傳輸距離：高達(dá)1200 m；支持系統(tǒng)：Windows XP、Linux驅(qū)動(dòng)。

2.5 紅外視頻與雷達(dá)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件集成紅外吊艙的控制接口及指令，用于同紅外吊艙的通訊及雙向控制，在某些設(shè)定條件下用戶可通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)紅外吊艙的進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制，亦可由紅外吊艙的某些狀態(tài)自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)軟件的特定功能，如自動(dòng)啟動(dòng)視頻錄像。

紅外視頻與雷達(dá)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)流示意圖如圖5所示。以主控計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)軟件為中心實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的通訊數(shù)據(jù)往來(lái)；以機(jī)載紅外吊艙俯仰角及方位角輸出信息為參考動(dòng)態(tài)切換與當(dāng)前紅外攝像頭指向?qū)?yīng)的某一臺(tái)毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)疊加進(jìn)視頻窗口；通過(guò)選定某一指向的毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)，控制機(jī)載紅外吊艙調(diào)整攝像頭的俯仰角及方位角使二者法向一致；以某一距離最小值為告警閾值，由毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)輸出值通過(guò)系統(tǒng)軟件自動(dòng)觸發(fā)紅外吊艙收回鏡頭，防止設(shè)備受損；以某一距離最小值為工作閾值，由毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)輸出值通過(guò)系統(tǒng)軟件自動(dòng)觸發(fā)紅外視頻錄像及拍照。

2.6 主控計(jì)算機(jī)選型

便攜式加固工作站選型為神基科技GETAC X500，部分技術(shù)指標(biāo)如下：全鎂鋁合金機(jī)殼，可防水、防塵、抗震耐摔；英特爾高性能處理器（酷睿i5-520M）；15寸陽(yáng)光下可讀的多點(diǎn)觸控顯示屏；離散圖形控制器NVIDIA GeForce GT330M；整機(jī)可夜視功能，可插拔防震硬盤(pán)、多媒體擴(kuò)展艙和PCI/PCIe擴(kuò)充槽；電池板續(xù)航時(shí)間大于10 h。

2.7 電磁兼容性設(shè)計(jì)

結(jié)合直升機(jī)及其電子系統(tǒng)的電磁環(huán)境的特點(diǎn)，按照技術(shù)規(guī)范對(duì)電磁環(huán)境適應(yīng)性的要求，從系統(tǒng)布局、內(nèi)部布線、電磁屏蔽加固、電路板設(shè)計(jì)、元器件選擇等方面進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。采取的措施有：在電源輸入端加EMC電源濾波器；輸入、輸出插頭座采用電磁屏蔽插頭座；采取強(qiáng)度弱信號(hào)相互隔離，避免強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱小信號(hào)的干擾；產(chǎn)品布線時(shí)，對(duì)于如電機(jī)電源等高頻、強(qiáng)信號(hào)，工藝上采取正負(fù)級(jí)絞接地方法布線；在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，采用多層板，設(shè)計(jì)專門(mén)電源層，吸收板上器件的電磁輻射；所有分系統(tǒng)內(nèi)部的干擾源或敏感器進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計(jì)。作為屏蔽體的外殼選用導(dǎo)電性能良好的金屬材料，接口處的表面處理采用導(dǎo)電氧化處理，保證各屏蔽體良好連接，消除漏磁縫隙，以提高屏蔽效能。嚴(yán)格控制屏蔽體開(kāi)口、孔洞、縫隙的數(shù)量、位置和大小，盡量避免降低屏蔽效能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 工作模式

基于紅外視頻與雷達(dá)一體化吊艙的安全避障系統(tǒng)工作狀態(tài)分為自檢階段和工作階段：

（1）自檢階段。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化并自檢，自檢內(nèi)容有：通過(guò)數(shù)據(jù)通訊端口接收紅外吊艙系統(tǒng)狀態(tài)信息，判斷吊艙是否進(jìn)入正常工作狀態(tài)；通過(guò)對(duì)5路毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)分別進(jìn)行點(diǎn)名及數(shù)據(jù)讀取，判斷各個(gè)雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)是否進(jìn)入正常工作狀態(tài)；視頻采集卡檢測(cè)，判斷視頻采集卡通道是否正常打開(kāi)，對(duì)應(yīng)視頻信號(hào)接入正常；錄像區(qū)硬盤(pán)空間檢測(cè)，確認(rèn)錄像區(qū)硬盤(pán)剩余空間充足。

（2）工作階段。工作階段系統(tǒng)啟動(dòng)如下功能有：實(shí)時(shí)接收各方向測(cè)距信息，動(dòng)態(tài)展示空間障礙物狀態(tài)；響應(yīng)使用人員的操作；直升機(jī)進(jìn)入與障礙物的危險(xiǎn)距離后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行聲光告警；觸發(fā)自動(dòng)錄像及拍照，觸發(fā)條件需與用戶進(jìn)一步協(xié)商。

3.2 軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

軟件采用可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual Studio開(kāi)發(fā)，語(yǔ)言為C++；調(diào)用單機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)Microsoft Access進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)維護(hù)，數(shù)據(jù)庫(kù)查詢控制語(yǔ)言為SQL，并集成調(diào)用視頻采集卡、數(shù)據(jù)通信卡等硬件設(shè)備的底層SDK，軟件開(kāi)發(fā)層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

系統(tǒng)軟件運(yùn)行環(huán)境即操作系統(tǒng)為微軟Windows 7或Windows xp，軟件運(yùn)行兼容32位和64位操作系統(tǒng)。軟件主界面基于Microsoft MFC單文檔應(yīng)用程序模板SDI開(kāi)發(fā)，基本界面示意圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試及性能指標(biāo)

4.1 環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試

（1）高溫工作：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到+55℃溫度時(shí)，保持2 h后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（2）高溫存儲(chǔ)：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到+65℃溫度時(shí)，保持2 h后，待系統(tǒng)恢復(fù)到常溫進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（3）低溫工作：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到-20℃溫度時(shí)，保持2 h后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（4）低溫存儲(chǔ)：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到-40 ℃溫度時(shí)，保持2 h后，待系統(tǒng)恢復(fù)到常溫進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（5）溫度沖擊檢驗(yàn)：將系統(tǒng)置入溫度沖擊試驗(yàn)箱的低溫箱內(nèi)將箱內(nèi)溫度降到-40 ℃保持2 h，然后在1 min的時(shí)間內(nèi)將系統(tǒng)移入溫度為+55 ℃的高溫箱內(nèi)保持2 h，然后將溫度恢復(fù)到常溫進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（6）溫度-高度檢驗(yàn)：將系統(tǒng)放置在試驗(yàn)箱內(nèi)，將試驗(yàn)箱內(nèi)的大氣壓力降到75.2 kPa，同時(shí)將試驗(yàn)箱內(nèi)溫度在低溫-20 ℃和高溫+50 ℃進(jìn)行循環(huán)（在低溫-20 ℃和高溫+55 ℃的保持時(shí)間分別為1 h），進(jìn)行1個(gè)周期的循環(huán)。試驗(yàn)后進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（7）電磁兼容檢驗(yàn)：按《GB/T17626.2 電磁兼容靜電放電抗擾度試驗(yàn)》和《GB/T17626.6電磁兼容工頻磁場(chǎng)抗擾度》進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

4.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)性能指標(biāo)如表1所示。

5 結(jié)論

為解決智能電網(wǎng)直升機(jī)網(wǎng)巡作業(yè)在復(fù)雜環(huán)境下的安全避障問(wèn)題，該文提出了一種基于紅外和雷達(dá)一體化吊艙的飛行器避障技術(shù)，充分結(jié)合紅外成像和毫米波雷達(dá)分別在目標(biāo)對(duì)象輪廓及視場(chǎng)角度感知和遠(yuǎn)距離監(jiān)控探測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)；完成了基于紅外和5路毫米波雷達(dá)空間測(cè)距的吊艙系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。通過(guò)對(duì)各種環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果分析，避障系統(tǒng)的測(cè)距范圍可覆蓋10～1000 m，測(cè)距精度可滿足±（1+0.03H） m，距離分辨率不大于1 m，工作頻率在Ku或mm波段，波束寬度為6×6度，輻射功率不小于23 dBm，數(shù)據(jù)更新率為20 ms。飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可滿足直升機(jī)電力巡線的避障需求，同時(shí)還可對(duì)其它用途的直升機(jī)/無(wú)人機(jī)安全避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1]徐艷國(guó).直升機(jī)防撞雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2011（33）：9-13.

[2] 趙永，姚連鈺，李松維，等.直升機(jī)紅外成像仿真模型研究[J].仿真技術(shù)，2010（12）：209-212.

[3] 陳國(guó)君，安妮.基于紅外技術(shù)的機(jī)載高壓線避障系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊， 2014（4）：83-87.

2.4 數(shù)據(jù)通訊卡

數(shù)據(jù)通訊卡選型為宇泰UT-712 485/422光電隔離轉(zhuǎn)換卡，PCI轉(zhuǎn)2路RS-485/422。性能指標(biāo)如下：PCI總線：32位；傳輸速率：高達(dá)115.2kbps；流控制：RTS/CTS XON/XOFF；工作溫度：0℃～70℃；光電隔離：隔離電壓2500 Vrms；接口保護(hù)：600 W浪涌保護(hù)、±15 kV靜電保護(hù)；傳輸距離：高達(dá)1200 m；支持系統(tǒng)：Windows XP、Linux驅(qū)動(dòng)。

2.5 紅外視頻與雷達(dá)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件集成紅外吊艙的控制接口及指令，用于同紅外吊艙的通訊及雙向控制，在某些設(shè)定條件下用戶可通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)紅外吊艙的進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制，亦可由紅外吊艙的某些狀態(tài)自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)軟件的特定功能，如自動(dòng)啟動(dòng)視頻錄像。

紅外視頻與雷達(dá)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)流示意圖如圖5所示。以主控計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)軟件為中心實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的通訊數(shù)據(jù)往來(lái)；以機(jī)載紅外吊艙俯仰角及方位角輸出信息為參考動(dòng)態(tài)切換與當(dāng)前紅外攝像頭指向?qū)?yīng)的某一臺(tái)毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)疊加進(jìn)視頻窗口；通過(guò)選定某一指向的毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)，控制機(jī)載紅外吊艙調(diào)整攝像頭的俯仰角及方位角使二者法向一致；以某一距離最小值為告警閾值，由毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)輸出值通過(guò)系統(tǒng)軟件自動(dòng)觸發(fā)紅外吊艙收回鏡頭，防止設(shè)備受損；以某一距離最小值為工作閾值，由毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)輸出值通過(guò)系統(tǒng)軟件自動(dòng)觸發(fā)紅外視頻錄像及拍照。

2.6 主控計(jì)算機(jī)選型

便攜式加固工作站選型為神基科技GETAC X500，部分技術(shù)指標(biāo)如下：全鎂鋁合金機(jī)殼，可防水、防塵、抗震耐摔；英特爾高性能處理器（酷睿i5-520M）；15寸陽(yáng)光下可讀的多點(diǎn)觸控顯示屏；離散圖形控制器NVIDIA GeForce GT330M；整機(jī)可夜視功能，可插拔防震硬盤(pán)、多媒體擴(kuò)展艙和PCI/PCIe擴(kuò)充槽；電池板續(xù)航時(shí)間大于10 h。

2.7 電磁兼容性設(shè)計(jì)

結(jié)合直升機(jī)及其電子系統(tǒng)的電磁環(huán)境的特點(diǎn)，按照技術(shù)規(guī)范對(duì)電磁環(huán)境適應(yīng)性的要求，從系統(tǒng)布局、內(nèi)部布線、電磁屏蔽加固、電路板設(shè)計(jì)、元器件選擇等方面進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。采取的措施有：在電源輸入端加EMC電源濾波器；輸入、輸出插頭座采用電磁屏蔽插頭座；采取強(qiáng)度弱信號(hào)相互隔離，避免強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱小信號(hào)的干擾；產(chǎn)品布線時(shí)，對(duì)于如電機(jī)電源等高頻、強(qiáng)信號(hào)，工藝上采取正負(fù)級(jí)絞接地方法布線；在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，采用多層板，設(shè)計(jì)專門(mén)電源層，吸收板上器件的電磁輻射；所有分系統(tǒng)內(nèi)部的干擾源或敏感器進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計(jì)。作為屏蔽體的外殼選用導(dǎo)電性能良好的金屬材料，接口處的表面處理采用導(dǎo)電氧化處理，保證各屏蔽體良好連接，消除漏磁縫隙，以提高屏蔽效能。嚴(yán)格控制屏蔽體開(kāi)口、孔洞、縫隙的數(shù)量、位置和大小，盡量避免降低屏蔽效能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 工作模式

基于紅外視頻與雷達(dá)一體化吊艙的安全避障系統(tǒng)工作狀態(tài)分為自檢階段和工作階段：

（1）自檢階段。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化并自檢，自檢內(nèi)容有：通過(guò)數(shù)據(jù)通訊端口接收紅外吊艙系統(tǒng)狀態(tài)信息，判斷吊艙是否進(jìn)入正常工作狀態(tài)；通過(guò)對(duì)5路毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)分別進(jìn)行點(diǎn)名及數(shù)據(jù)讀取，判斷各個(gè)雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)是否進(jìn)入正常工作狀態(tài)；視頻采集卡檢測(cè)，判斷視頻采集卡通道是否正常打開(kāi)，對(duì)應(yīng)視頻信號(hào)接入正常；錄像區(qū)硬盤(pán)空間檢測(cè)，確認(rèn)錄像區(qū)硬盤(pán)剩余空間充足。

（2）工作階段。工作階段系統(tǒng)啟動(dòng)如下功能有：實(shí)時(shí)接收各方向測(cè)距信息，動(dòng)態(tài)展示空間障礙物狀態(tài)；響應(yīng)使用人員的操作；直升機(jī)進(jìn)入與障礙物的危險(xiǎn)距離后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行聲光告警；觸發(fā)自動(dòng)錄像及拍照，觸發(fā)條件需與用戶進(jìn)一步協(xié)商。

3.2 軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

軟件采用可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual Studio開(kāi)發(fā)，語(yǔ)言為C++；調(diào)用單機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)Microsoft Access進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)維護(hù)，數(shù)據(jù)庫(kù)查詢控制語(yǔ)言為SQL，并集成調(diào)用視頻采集卡、數(shù)據(jù)通信卡等硬件設(shè)備的底層SDK，軟件開(kāi)發(fā)層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

系統(tǒng)軟件運(yùn)行環(huán)境即操作系統(tǒng)為微軟Windows 7或Windows xp，軟件運(yùn)行兼容32位和64位操作系統(tǒng)。軟件主界面基于Microsoft MFC單文檔應(yīng)用程序模板SDI開(kāi)發(fā)，基本界面示意圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試及性能指標(biāo)

4.1 環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試

（1）高溫工作：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到+55℃溫度時(shí)，保持2 h后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（2）高溫存儲(chǔ)：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到+65℃溫度時(shí)，保持2 h后，待系統(tǒng)恢復(fù)到常溫進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（3）低溫工作：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到-20℃溫度時(shí)，保持2 h后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（4）低溫存儲(chǔ)：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到-40 ℃溫度時(shí)，保持2 h后，待系統(tǒng)恢復(fù)到常溫進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（5）溫度沖擊檢驗(yàn)：將系統(tǒng)置入溫度沖擊試驗(yàn)箱的低溫箱內(nèi)將箱內(nèi)溫度降到-40 ℃保持2 h，然后在1 min的時(shí)間內(nèi)將系統(tǒng)移入溫度為+55 ℃的高溫箱內(nèi)保持2 h，然后將溫度恢復(fù)到常溫進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（6）溫度-高度檢驗(yàn)：將系統(tǒng)放置在試驗(yàn)箱內(nèi)，將試驗(yàn)箱內(nèi)的大氣壓力降到75.2 kPa，同時(shí)將試驗(yàn)箱內(nèi)溫度在低溫-20 ℃和高溫+50 ℃進(jìn)行循環(huán)（在低溫-20 ℃和高溫+55 ℃的保持時(shí)間分別為1 h），進(jìn)行1個(gè)周期的循環(huán)。試驗(yàn)后進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

（7）電磁兼容檢驗(yàn)：按《GB/T17626.2 電磁兼容靜電放電抗擾度試驗(yàn)》和《GB/T17626.6電磁兼容工頻磁場(chǎng)抗擾度》進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

4.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)性能指標(biāo)如表1所示。

5 結(jié)論

為解決智能電網(wǎng)直升機(jī)網(wǎng)巡作業(yè)在復(fù)雜環(huán)境下的安全避障問(wèn)題，該文提出了一種基于紅外和雷達(dá)一體化吊艙的飛行器避障技術(shù)，充分結(jié)合紅外成像和毫米波雷達(dá)分別在目標(biāo)對(duì)象輪廓及視場(chǎng)角度感知和遠(yuǎn)距離監(jiān)控探測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)；完成了基于紅外和5路毫米波雷達(dá)空間測(cè)距的吊艙系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。通過(guò)對(duì)各種環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果分析，避障系統(tǒng)的測(cè)距范圍可覆蓋10～1000 m，測(cè)距精度可滿足±（1+0.03H） m，距離分辨率不大于1 m，工作頻率在Ku或mm波段，波束寬度為6×6度，輻射功率不小于23 dBm，數(shù)據(jù)更新率為20 ms。飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可滿足直升機(jī)電力巡線的避障需求，同時(shí)還可對(duì)其它用途的直升機(jī)/無(wú)人機(jī)安全避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1]徐艷國(guó).直升機(jī)防撞雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2011（33）：9-13.

[2] 趙永，姚連鈺，李松維，等.直升機(jī)紅外成像仿真模型研究[J].仿真技術(shù)，2010（12）：209-212.

[3] 陳國(guó)君，安妮.基于紅外技術(shù)的機(jī)載高壓線避障系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊， 2014（4）：83-87.