基于無(wú)人機(jī)巡檢的輸電線路規(guī)避系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜衍睿

（內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內(nèi)蒙 興安盟 137400）

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，架空輸電線路分布點(diǎn)多面廣，所處地形復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工巡檢方法不僅工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，而且受人為因素制約，一些線路缺陷或故障點(diǎn)不容易被發(fā)現(xiàn)。在一些國(guó)家和地區(qū)，載人直升機(jī)巡線方式已取代人工巡線成為主要的巡線手段，通過(guò)在直升機(jī)上搭載光學(xué)相機(jī)、紅外熱像儀、紫外成像儀等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路缺陷和線行環(huán)境多維度巡檢。但是，由于載人直升機(jī)的巡檢方式成本太高，在我國(guó)難以普及，因此，費(fèi)用相對(duì)較低的無(wú)人機(jī)用于高壓輸電線路的巡檢，是當(dāng)今電力新技術(shù)的一個(gè)很有前景的發(fā)展方向。

一、輸電線路規(guī)避系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢中無(wú)人機(jī)對(duì)導(dǎo)線的規(guī)避，對(duì)常用的障礙物檢測(cè)傳感器，進(jìn)行分析比較。

通過(guò)對(duì)比各傳感器的性能特點(diǎn)，最終選用毫米波雷達(dá)進(jìn)行輸電線路規(guī)避系統(tǒng)設(shè)計(jì)，考慮到電網(wǎng)輸電線路巡檢實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)在輸電線路右上方進(jìn)行飛行，在線路位置信息已知的情況下，左側(cè)的障礙物(桿塔、線路等)可通過(guò)航跡規(guī)劃進(jìn)行靜態(tài)避讓。故障礙物主要來(lái)自于前方與右側(cè)，同時(shí)毫米波雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)，故將毫米波雷達(dá)安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)頭前方，作為障礙物檢測(cè)的主要手段，可預(yù)留出足夠的避障反應(yīng)時(shí)間，具體方案如下所述。

（一）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(wú)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。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。

（二）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(guò)大，無(wú)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(guò)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)。

（三）運(yùn)輸保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)運(yùn)輸保障系統(tǒng)由運(yùn)載車底盤、方艙及輔助設(shè)施組成運(yùn)輸保障車綜合考慮了無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)輸中的防振措施，可靠地固定無(wú)人機(jī)及相關(guān)設(shè)備，保障對(duì)無(wú)人機(jī)及相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)輸。

1.方艙設(shè)計(jì)

方艙用于裝載和固定無(wú)人機(jī)及其附件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有特別的考慮，如底板上設(shè)置了含導(dǎo)向槽的導(dǎo)軌裝置和無(wú)人機(jī)輪組，方便將無(wú)人機(jī)移動(dòng)到艙內(nèi)。無(wú)人機(jī)的固定是通過(guò)翻轉(zhuǎn)扣、支撐裝置和綁帶共同完成，導(dǎo)軌上的翻轉(zhuǎn)扣用于固定住無(wú)人機(jī)的雪橇板，帶卡槽支撐裝置用于固定住無(wú)人機(jī)的尾槳，底板及側(cè)壁板上的卡鉤是為了利用綁帶將無(wú)人機(jī)的起落架和旋翼支架與艙體固定，保證運(yùn)輸途中盡量減少顛簸對(duì)無(wú)人機(jī)的機(jī)械損傷。方艙中專門設(shè)置了旋翼箱，將無(wú)人機(jī)移入方艙內(nèi)部之前，先將其主旋翼拆下，并放置于旋翼箱內(nèi)，可以減小其占用空間，而且旋翼又能夠得到妥善的放置。

2.運(yùn)輸車底盤選取

運(yùn)輸車的底盤選用東風(fēng)汽車有限公司原廠生產(chǎn)的DFL5160XX YBX1A二類底盤，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，以滿足運(yùn)輸無(wú)人機(jī)的特殊需求。運(yùn)輸車底盤右側(cè)中前部安裝有隨車工具箱，內(nèi)部可放置必要的維修和檢測(cè)工器具等，便于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行故障排查。車輛底架左右兩側(cè)中后部各安裝一只200L汽油箱，為巡檢無(wú)人機(jī)和中繼無(wú)人機(jī)提供燃油補(bǔ)給。油箱前部及底部安裝有鋼質(zhì)防護(hù)板，并單獨(dú)配備接地帶，將將靜電導(dǎo)入大地，保證燃油安全。

二、規(guī)避算法設(shè)計(jì)

（一）最大模糊數(shù)搜索實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

實(shí)際背景中目標(biāo)不會(huì)同時(shí)處于同一個(gè)距離－多普勒單元，因此目標(biāo)之間不會(huì)存在相互干擾。單元最大模糊數(shù)搜索法只需進(jìn)行一次模糊數(shù)遍歷，就可以得到所有目標(biāo)的積累峰值及相對(duì)應(yīng)的模糊數(shù)，在取得模糊數(shù)的情況下對(duì)信號(hào)進(jìn)行修正并做相參積累，具體步驟如下，Kmax為目標(biāo)最大可能速度所對(duì)應(yīng)的最大模糊數(shù)。

（二）剔除雜波算法設(shè)計(jì)

CA－CFAR檢測(cè)器在雜波邊緣處存在大量的虛警，而且多目標(biāo)檢測(cè)性能較差，不能適應(yīng)雜波邊緣和多目標(biāo)環(huán)境。因此，針對(duì)這一檢測(cè)方法做了眾多的改進(jìn)，其中比較常見(jiàn)的檢測(cè)方法為單元平均選小(SO－CFAR)和單元平均選大(GO－CFAR)，三種檢測(cè)方法的檢測(cè)概率與信噪比關(guān)系如圖6所示，SO－CFAR和GO－CFAR是針對(duì)雜波邊界問(wèn)題提出來(lái)的，檢測(cè)性能較好。

結(jié)語(yǔ)

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(wú)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(guò)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(wú)人機(jī)可靠性，保障無(wú)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。