一種具有近電預(yù)警功能的新型無人機(jī)的研制

張 威 納 森 孟 賀

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門529000）

0 引言

當(dāng)前，消費(fèi)級(jí)無人機(jī)市場已經(jīng)有采用雙目測距法、具備自動(dòng)避障功能的無人機(jī)，但其在電力系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用時(shí)，經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，搭載自動(dòng)避障功能的無人機(jī)不能完全有效避開電線、電桿、鐵塔等電力設(shè)備，以致電力系統(tǒng)的無人機(jī)操控人員因?qū)щ婓w距離判斷失誤或誤操作而誤碰帶電體的事件時(shí)有發(fā)生。

為有效避免無人機(jī)誤碰帶電體，保障電力線路設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，使無人機(jī)更安全可靠地應(yīng)用在電力設(shè)備各類巡視中，本文提出通過在無人機(jī)上搭載近電預(yù)警專業(yè)集成電路，達(dá)到當(dāng)無人機(jī)與帶電部位距離過近時(shí)向地面飛手發(fā)送預(yù)警信號(hào)，以使其及時(shí)調(diào)整無人機(jī)飛行姿態(tài)及位置的目的。該新型無人機(jī)不僅能有效避免無人機(jī)誤碰帶電體，同時(shí)可利用其非接觸驗(yàn)電電子模塊作為飛行驗(yàn)電器。

1 項(xiàng)目技術(shù)方案與實(shí)施

項(xiàng)目的具體技術(shù)方案如下：如圖1所示，一種具有近電預(yù)警功能的新型無人機(jī)，包括無人機(jī)本體1、近電預(yù)警模塊2、近電預(yù)警模塊的探測天線3、傳輸天線5、報(bào)警音傳輸模塊6、云臺(tái)相機(jī)7、報(bào)警音接收模塊以及信號(hào)接收裝置，還有圖中沒有標(biāo)明的無人機(jī)模塊整體外殼4。

圖1 新型無人機(jī)連接關(guān)系圖

具有近電預(yù)警功能的新型無人機(jī)實(shí)物模型如圖2所示。無人機(jī)本體1用于搭載近電預(yù)警模塊。近電預(yù)警模塊2、報(bào)警音傳輸模塊6設(shè)于無人機(jī)本體1上。近電預(yù)警模塊2包括探測天線3、報(bào)警發(fā)生器，探測天線3與報(bào)警發(fā)生器電氣連接。近電預(yù)警模塊2用于收集環(huán)境中由高壓輸電線產(chǎn)生的電磁波信號(hào)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。該模塊耗電量極小，因此使用內(nèi)置紐扣電池的方式供電，減少外部供電使用的線材，使模塊整體更加簡潔美觀。報(bào)警音傳輸模塊6用于采集近電預(yù)警模塊2發(fā)出的報(bào)警信號(hào)，將報(bào)警信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線信號(hào)傳輸給報(bào)警音接收模塊。報(bào)警音接收模塊設(shè)于信號(hào)接收裝置上，用于接收?qǐng)?bào)警音傳輸模塊6發(fā)出的無線信號(hào)。

圖2 新型無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

探測天線3包括信號(hào)采集模塊和濾波器，信號(hào)采集模塊與濾波器電氣連接，濾波器與報(bào)警發(fā)生器電氣連接。采集到的電磁波信號(hào)經(jīng)過濾波器后，僅保留50 Hz的工頻信號(hào)，可防止其他信號(hào)干擾測量結(jié)果，降低誤報(bào)率。

報(bào)警音傳輸模塊6包括預(yù)警采集模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，預(yù)警采集模塊用于采集報(bào)警發(fā)生器發(fā)出的報(bào)警信號(hào)，將報(bào)警信號(hào)傳輸給信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊用于將報(bào)警信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線傳輸信號(hào)，并發(fā)送給報(bào)警音接收模塊。報(bào)警音傳輸模塊6工作在433 MHz頻段，避免了無人機(jī)的信號(hào)干擾以及高壓線產(chǎn)生的信號(hào)干擾。報(bào)警音傳輸模塊6上還設(shè)有傳輸天線5，該天線為50 Ω的433 MHz無線傳輸天線，報(bào)警音無線傳輸模塊的無線傳輸信號(hào)通過天線發(fā)送出去。無線傳輸天線5與報(bào)警音傳輸模塊6的工作頻率相同，可以有效避免信號(hào)傳輸過程中高壓線產(chǎn)生的信號(hào)干擾，提高傳輸效率。

信號(hào)接收裝置上設(shè)有警示燈和蜂鳴器，警示燈、蜂鳴器分別與報(bào)警音接收模塊電氣連接。當(dāng)報(bào)警音接收模塊接收到報(bào)警信號(hào)后，將信號(hào)再傳遞給警示燈和蜂鳴器，報(bào)警燈亮，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，操作人員看到警示燈或聽到警報(bào)聲便能知道無人機(jī)靠近輸電設(shè)備，可調(diào)整無人機(jī)運(yùn)行線路，及時(shí)避開。信號(hào)接收裝置上還設(shè)有顯示屏。信號(hào)接收裝置接收到報(bào)警信號(hào)后，報(bào)警信號(hào)可在顯示屏上顯示。無人機(jī)上還設(shè)有云臺(tái)相機(jī)7，云臺(tái)相機(jī)7通過無線網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)接收裝置連接。云臺(tái)相機(jī)7用于提供實(shí)時(shí)畫面給地面操作人員，地面操作人員可通過信號(hào)接收裝置的顯示屏觀看無人機(jī)飛行畫面，方便操控?zé)o人機(jī)。

在一些實(shí)施例中，還包括外殼4，其通過螺絲將近電預(yù)警模塊以及無線傳輸模塊包裹成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)密封連接。近電預(yù)警模塊2、報(bào)警音傳輸模塊6設(shè)于外殼4內(nèi)，外殼4固定于無人機(jī)本體1上。將近電預(yù)警模塊2、報(bào)警音傳輸模塊6設(shè)于外殼4內(nèi)，可避免外部影響，提高近電預(yù)警模塊2與報(bào)警音傳輸模塊6之間的信號(hào)傳輸效率。其中，外殼4上設(shè)有透氣孔。加強(qiáng)了外殼4內(nèi)的空氣流通，可有效防止裝置在工作過程中過熱導(dǎo)致報(bào)警失效。

在一些實(shí)施例中，還包括電源，近電預(yù)警模塊2、報(bào)警音傳輸模塊6分別與電源連接，電源設(shè)于外殼4內(nèi)。電源采用充電鋰電池或普通電池；電池可內(nèi)置于近電預(yù)警模塊2、報(bào)警傳輸模塊6內(nèi)，減少無人機(jī)外部線路，使得無人機(jī)內(nèi)部線路更為簡潔。

2 項(xiàng)目應(yīng)用與效果分析

2.1 項(xiàng)目具體應(yīng)用

操作人員操作無人機(jī)飛行，當(dāng)靠近輸電線路時(shí)，傳輸天線5和探測天線3上的信號(hào)采集模塊便能及時(shí)采集到電磁波信號(hào)，將電磁波信號(hào)傳遞給濾波器，濾波器僅保留電磁波信號(hào)50 Hz工頻信號(hào)，防止其他信號(hào)干擾測量結(jié)果；同時(shí)報(bào)警發(fā)生器發(fā)出報(bào)警信號(hào)；報(bào)警音傳輸模塊6上設(shè)置的預(yù)警采集模塊采集報(bào)警信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器將報(bào)警信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線信號(hào)，通過傳輸天線5將無線信號(hào)發(fā)射給信號(hào)接收裝置；信號(hào)接收裝置內(nèi)設(shè)有報(bào)警音接收模塊，可及時(shí)接收?qǐng)?bào)警音傳輸模塊6發(fā)出的無線報(bào)警信號(hào)；同時(shí)通過警示燈、蜂鳴器提醒操作人員，并將報(bào)警信號(hào)在顯示屏上顯示；操作人員接收到報(bào)警信號(hào)后，可通過顯示屏觀看無人機(jī)上的云臺(tái)相機(jī)7實(shí)時(shí)傳輸?shù)臒o人機(jī)周圍的畫面，調(diào)整無人機(jī)飛行線路，及時(shí)避開輸電線路等電力設(shè)備，避免無人機(jī)撞擊輸電線路等電力設(shè)備，提高無人機(jī)工作效率。

2.2 項(xiàng)目應(yīng)用效果

該新型無人機(jī)最關(guān)鍵的技術(shù)在于：（1）將近電預(yù)警裝置與無人機(jī)相結(jié)合，通過在合理的位置安放天線，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢測高壓輸電線感生電磁場的功能。近電預(yù)警電子模塊2通過檢測環(huán)境中高壓輸電線路的感生磁場實(shí)現(xiàn)近電預(yù)警的功能，且可通過不同電壓等級(jí)設(shè)定不同距離觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。（2）該新型無人機(jī)根據(jù)不同電壓等級(jí)，設(shè)定不同的距離觸發(fā)值，需不斷優(yōu)化集成電路，克服各類干擾信號(hào)，通過反復(fù)試驗(yàn)，使無人機(jī)在同一電壓等級(jí)臨近帶電體時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)的距離值保持穩(wěn)定。通過無線傳輸模塊采集報(bào)警音并傳輸至地面端，實(shí)時(shí)通知地面操作人員，有效保護(hù)無人機(jī)飛行安全。（3）外殼的下部設(shè)有透氣孔，可有效防止裝置在工作過程中過熱導(dǎo)致報(bào)警失效。（4）近電預(yù)警裝置通過內(nèi)置電池的方式減少外部連線，使得無人機(jī)內(nèi)部線路更為簡潔。（5）外殼兩部分采用斜分?jǐn)嗝娴男问剑ＷC電流互感器固定在外殼后其開口還能夠完全打開，有利于安裝。

3 結(jié)語

該新型無人機(jī)將近電預(yù)警裝置與無人機(jī)相結(jié)合，通過在合理的位置安放天線，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢測高壓輸電線感生電磁場的功能；同時(shí)，通過無線傳輸模塊采集報(bào)警音并傳輸至地面端，實(shí)時(shí)通知地面操作人員，有效保護(hù)無人機(jī)飛行安全。