多旋翼無人機遙控信號增強技術(shù)應(yīng)用研究

盧雨翔，孫宏彪，徐衍德

（國網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司，江西 南昌 330096）

0 引言

在輸電線路巡檢中，無人機的遙控距離，是構(gòu)建全方位、超視距、多角度的輸電線路立體巡檢體系的重要技術(shù)之一，無人機飛行距離的遠近直接影響無人機巡檢效率和巡檢質(zhì)量，但現(xiàn)有無人機的實際飛行距離未達到《架空輸電線路無人直升機巡檢系統(tǒng)》（Q/GDW11385—2015）中“距地面高度40 m時圖傳（圖像傳輸）距離不小于2 km”的要求?，F(xiàn)提出一種增強無人機遙控器信號的方法，提高無人機飛行距離，提升超視距飛行時圖像傳輸系統(tǒng)的清晰度和穩(wěn)定性。

1 多旋翼無人機巡檢現(xiàn)狀

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是通過遙控設(shè)備與之相連，控制無人機的起飛、飛行、懸停、降落等動作，另外，部分型號無人機的遙控設(shè)備也參與控制無人機的圖像傳輸系統(tǒng)。因此，遙控設(shè)備可以說是整個無人機巡檢系統(tǒng)中最重要的組成部分。

按照《架空輸電線路無人直升機巡檢系統(tǒng)》的規(guī)定，輸電線路小型無人機巡檢系統(tǒng)的通訊要求應(yīng)滿足“距地面高度40 m時圖傳（圖像傳輸）距離不小于2 km；圖傳延時≤300 ms”的要求，而在無人機遙控設(shè)備的說明書中，也明確遙控設(shè)備的范圍在5 km左右。但是在500 kV輸電線路中，受電磁干擾、氣象環(huán)境和地形地貌等因素的影響[1]，部分無人機圖傳遙控距離在超過500 m后，地面站顯示屏上就開始出現(xiàn)“雪花點”，甚至無法通過圖傳系統(tǒng)準確判斷桿塔位置。在超過1 km后，無人機的控制也開始出現(xiàn)遲滯，操作人員的操作指令要1到2 s后才能在地面控制站中顯示。日常巡檢的實際遙控距離與理論值相差甚遠將造成以下幾個問題。

1.1 威脅無人機的安全飛行

無人機通過遙控器發(fā)出的指令開展巡檢時，操作人員通常采用超視距的飛行方式，通過地面顯控單元查看無人機實時傳回的圖像，對掛點、金具、導(dǎo)線、絕緣子等設(shè)備進行精益化巡視，巡視時通常距離鐵塔1至5 m[2]。若此時遙控設(shè)備出現(xiàn)信號波動，操作人員將無法根據(jù)實時情況準確判斷無人機狀態(tài)，嚴重威脅無人機的安全飛行。

1.2 無人機的飛行距離受到限制

江西湖泊較多，部分線路處于湖泊地帶，巡視人員無法靠近開展巡檢，此時必定要進行長距離飛行，而遙控信號隨著距離增加逐漸減弱造成飛行距離受到限制[3]。

1.3 圖像質(zhì)量低下，導(dǎo)致巡視質(zhì)量下降

由于圖像傳輸系統(tǒng)的好壞直接影響到無人機巡檢質(zhì)量。但由于圖像傳輸系統(tǒng)受到電磁干擾影響嚴重，導(dǎo)致無人機飛行距離在超過一定距離后就難以清晰的看到無人機拍攝的圖像，這不僅與圖傳的理論傳輸距離相距甚遠，也極大的危害了無人機的安全飛行。

2 多旋翼無人機遙控信號增強技術(shù)研究方向

針對目前輸電線路無人機巡檢中實際遙控距離與理論值相差大的問題，以遙控器信號增強技術(shù)為出發(fā)點，研究提高遙控器功率的方法，提高無人機遙控實際距離，提高圖像傳輸系統(tǒng)質(zhì)量，保證超視距飛行的安全性，進一步適用于輸電線路日常巡檢要求[4]，著重開展以下需求研究。

2.1 遙控設(shè)備增程技術(shù)研究

改變遙控設(shè)備天線，增加遙控器功率，提高遙控設(shè)備的抗電磁干擾的能力[5]，采用TIME DIVISION DUPLEX（TDD）技術(shù)、線性功放和圓極化天線技術(shù)，在安全可控的前提下，提高無人機飛行距離和圖像傳輸距離。

2.2 遙控器設(shè)計研究

在原有遙控設(shè)備上增加增程裝置，因此，需對遙控設(shè)備的天線部分進行改造，重新對遙控設(shè)備設(shè)計調(diào)整。無人機增程后，遙控設(shè)備功率將增加，穩(wěn)定的供電是對遙控設(shè)備的重要保障。

3 多旋翼無人機遙控信號增強裝置設(shè)計

通過研究無人機遙控設(shè)備的信號增強裝置，并將該裝置與現(xiàn)有遙控設(shè)備結(jié)合，實現(xiàn)在超過2 km的超視距飛行中，圖像傳輸信號和遙控信號小于300 ms的延遲，滿足《架空輸電線路無人機巡檢作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則》[6]的要求，基于這個目的，對以下內(nèi)容開展研究。

3.1 TDD（TIME DIVISION DUPLEX）技術(shù)

選擇移動通訊中常用的TDD技術(shù)的原因之一是可以高效靈活地利用所有可用帶寬，另外，針對在圖像傳輸、無人機指令控制的應(yīng)用時上下行鏈路傳輸容量的要求不同，采用TDD方案可動態(tài)分配上下行鏈路的容量，實現(xiàn)資源分配的靈活性；最后，由于上下行鏈路使用相同的頻率，上下行鏈路的一致性較好。在對移動臺的發(fā)射功率進行控制時，可以用開環(huán)功率控制來取代較為復(fù)雜的閉環(huán)功率控制。

3.2 線性功放設(shè)計

功率放大器作為最接近遙控設(shè)備天線的重要器件，是無線通信系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的組件，其線性度和效率非常重要。由于現(xiàn)代通信的信號調(diào)制方式導(dǎo)致信號峰均比越來越高，使系統(tǒng)的效率降低，還有功率放大器本身固有的非線性特性，所以要提高功率放大器的工作效率和線性度。傳統(tǒng)的功率回退法雖然可以提高功率放大器的線性度，但是其效率也會降低。因此需要采用適用的線性化技術(shù)，既可以提高功率放大器的線性度又可以保證效率。

3.3 圓極化天線設(shè)計

大多數(shù)普通天線都采用線極化方式，當收信天線的極化方向與線極化方向一致（電場方向）時，感應(yīng)出的信號最大（電磁波在極化方向上投影最大）。隨著收信天線的極化方向與線極化方向偏離越來越多時，感應(yīng)出的信號越?。ㄍ队安粩鄿p?。?，當收信天線的極化方向與線極化方向正交場方向）時，感應(yīng)出的信號為零（投影為零）。線極化方式對天線的方向要求較高，而對于圓極化，無論收信天線的極化方向如何，感應(yīng)出的信號都是相同的，不會有什么差別。所以采用圓極化方式，使得系統(tǒng)對天線的方位敏感性降低。

3.4 遙控設(shè)備結(jié)構(gòu)與電源設(shè)計

由于無人機增程技術(shù)的應(yīng)用，涉及到在現(xiàn)有遙控設(shè)備上增加增程裝置，因此遙控設(shè)備天線將重新安裝，另外，天線功率的增大，必定造成遙控設(shè)備原有的電池容量不滿足續(xù)航能力要求，采用在增程裝置上增加電池管理模塊，實現(xiàn)在續(xù)航方面遙控信號放大裝置與無人機操控互不影響。

4 結(jié)語

隨著無人機的應(yīng)用頻率逐漸提高，無人機在輸電線路巡視中的地位也日益提高，但目前巡檢采用的無人機實際飛行距離有限，在面對湖泊中的鐵塔等極端情況下將顯得捉襟見肘，而無人機增程技術(shù)的應(yīng)用研究不僅解決了無人機長距離飛行的控制問題，還提高了圖像傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這對無人機超視距飛行提供了極大的保證，進一步提高了輸電線路的安全管控水平。