無人機(jī)搭載毫米波雷達(dá)巡檢輸電線路走廊的裝置研究

鄭天茹，顧 灝，婁婷婷，張丹丹，王 然

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東曲阜市供電公司，山東 曲阜 273100）

0 引言

隨著我國電力行業(yè)的快速發(fā)展，架空輸電線路總長度急劇增長［1-3］，無人機(jī)等自動(dòng)化巡檢手段越來越多地應(yīng)用于架空輸電線路巡檢工作中。輸電線路的環(huán)境與地形多種多樣，對(duì)線路走廊進(jìn)行巡檢并繪制三維地圖，可以查看線路走廊環(huán)境，提高無人機(jī)巡檢效率［4-8］。

目前的測距方法主要有激光法、視覺法、超聲波法、紅外法和微波雷達(dá)法。激光法和視覺法的準(zhǔn)確度在霧天雨天時(shí)很低［9-12］；超聲波法只適用于較短距離的測量［13-14］；紅外法受環(huán)境影響大，懸浮顆粒會(huì)造成干擾，且方向性差［15］。微波雷達(dá)受天氣、粉塵顆粒等因素影響較小，且探測距離足夠遠(yuǎn)、精度足夠高，可同時(shí)獲得相對(duì)距離和相對(duì)方位角信息，能夠較好地完成無人機(jī)巡檢工作［16］。為了避免與無人機(jī)搭載的電子設(shè)備間的電磁干擾［17］，選用毫米波作為雷達(dá)發(fā)射頻段。參考文獻(xiàn)［18］中描述了一種毫米波雷達(dá)成像技術(shù)的應(yīng)用，但無法進(jìn)行探測物屬性的判別，且只能識(shí)別遠(yuǎn)距離大體積物體和近距離小體積物體。參考文獻(xiàn)［19］中描述了一種可用于無人機(jī)的毫米波雷達(dá)，采用了大小發(fā)射角度結(jié)合的方法，天線尺寸由于存在發(fā)射角度，半徑無法減小，且缺少對(duì)探測物體屬性判別，無法完成對(duì)輸電線路走廊巡檢的工作。

為解決此類問題，設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)搭載毫米波雷達(dá)巡檢輸電線路走廊的裝置，利用無人直升機(jī)搭載機(jī)載毫米波雷達(dá)裝置，同時(shí)配備高清的攝像機(jī)，毫米波雷達(dá)信號(hào)被處理后送入飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢輸電線路走廊以及繪制簡單三維地圖的功能，為提高巡檢工作的效率和安全性提供保障。

1 裝置組成

無人機(jī)搭載毫米波雷達(dá)巡檢輸電線路走廊裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該裝置主要包括機(jī)載毫米波雷達(dá)裝置和機(jī)載飛行控制系統(tǒng)兩部分。

1.1 機(jī)載毫米波雷達(dá)裝置

圖1 裝置結(jié)構(gòu)

機(jī)載毫米波雷達(dá)裝置包括雙天線、毫米波的發(fā)射／接收單元、A／D 轉(zhuǎn)化器、雜波處理單元、信號(hào)積累器、FFT 單元、信號(hào)處理模塊。其中，雙天線為同型號(hào)，且口徑不超過15 cm；毫米波發(fā)射／接收單元配備毫米波雷達(dá)發(fā)生器和毫米波雷達(dá)接收器，與雙天線的連接為全雙工通信模式；雜波處理單元為單片機(jī)，根據(jù)金屬和非金屬的反射率在毫米波波段下存在很大差別的特點(diǎn)，設(shè)置一定的限值，用于區(qū)分輸電線路、桿塔與其他物體；信號(hào)積累器用于積累所采集的信號(hào)，積累到一定數(shù)值后，輸入FFT 單元；FFT 模塊為DSP 芯片，采用快速傅氏變換算法（FFT），有效提高運(yùn)算速度；A／D轉(zhuǎn)化器將毫米波發(fā)射／接收單元通過雙天線獲得的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，而后通過雜波處理、信號(hào)積累和FFT 算法進(jìn)行處理，進(jìn)而輸入信號(hào)處理模塊；信號(hào)處理模塊為DSP 處理器，接收飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)中的氣壓高度數(shù)據(jù)和GPS 數(shù)據(jù)，并結(jié)合由FFT 算法計(jì)算得出的相對(duì)距離、相對(duì)角度，生成輸電線路走廊的三維地圖，信號(hào)處理單元連接機(jī)載飛行控制系統(tǒng)。

機(jī)載毫米波雷達(dá)裝置安裝在無人機(jī)機(jī)體的正下方或前側(cè)下方，其中雙天線為對(duì)稱安裝，如圖2 所示，保持探測角度以垂直方向?yàn)檩S對(duì)稱，其中∠1 和∠2 分別為兩天線的探測角度。

1.2 機(jī)載飛行控制系統(tǒng)

機(jī)載飛行控制系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)，它分別與陀螺儀、加速度計(jì)、數(shù)字羅盤、GPS 模塊、氣壓高度計(jì)、PCM 遙控接收機(jī)、轉(zhuǎn)速測量計(jì)、舵機(jī)控制器連接。此外，機(jī)載飛行控制系統(tǒng)還與無人直升機(jī)搭載的高清攝像機(jī)檢測設(shè)備［5］相連，高清攝像機(jī)檢測設(shè)備主要輔助完成無人直升機(jī)安全飛行及巡檢中的安全隱患確認(rèn)工作。

圖2 天線安裝位置

2 巡檢流程

利用該裝置進(jìn)行對(duì)輸電線路巡檢的工作流程如圖3 所示。

圖3 輸電線路巡檢的工作流程

規(guī)劃無人機(jī)行駛路線。對(duì)輸電線路走廊進(jìn)行巡檢時(shí)，無人機(jī)應(yīng)在輸電線路側(cè)上方沿輸電線路走向飛行，飛行高度及安全距離應(yīng)根據(jù)無人機(jī)機(jī)型及輸電線路實(shí)際環(huán)境選擇。

無人機(jī)搭載機(jī)載毫米波雷達(dá)完成巡檢工作。毫米波探測信號(hào)由毫米波雷達(dá)發(fā)生器通過天線發(fā)出；毫米波信號(hào)被輸電線路、桿塔及探測范圍內(nèi)其他物體反射，再由天線采集，輸入毫米波雷達(dá)接收器，通過A／D 轉(zhuǎn)化器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到包含相對(duì)方位和相對(duì)距離的信號(hào)；信號(hào)經(jīng)過雜波處理單元，處理雜波并判斷出信號(hào)對(duì)應(yīng)的物體為金屬／非金屬；信號(hào)積累器將輸入的數(shù)據(jù)逐步累計(jì)達(dá)到某一限值（可規(guī)定為1 024 個(gè)）時(shí)，整合為1 個(gè)組，將該組數(shù)據(jù)整體輸入FFT 單元進(jìn)行FFT 算法處理；飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)采集GPS 數(shù)據(jù)和氣壓高度數(shù)據(jù)，輸入信號(hào)處理模塊，同時(shí)由于無人直升機(jī)巡檢速度相較各模塊對(duì)數(shù)據(jù)和信號(hào)的處理時(shí)間極慢，可忽略由于計(jì)算延誤造成的誤差，將這些數(shù)據(jù)與FFT 單元處理后的數(shù)據(jù)相匹配，得到信號(hào)點(diǎn)相應(yīng)的高度與GPS 值，并將基本屬性為金屬的兩線狀物體的重合點(diǎn)判定為電力交跨線，并計(jì)算出間距，得到僅有基本輪廓的簡單輸電線路走廊三維地圖。

地面圖形工作站處理數(shù)據(jù)。得到簡單的三維地圖后，如需更直觀清晰地得到輸電線路走廊具體情況，則在無人機(jī)巡檢任務(wù)完成后，可在地面圖形工作站中，利用高清圖像與三維地圖進(jìn)行匹配和拼接，最終得到包含物體屬性、色彩、形狀、高度、GPS 值等信息的三維地圖。

3 創(chuàng)新及效果分析

設(shè)計(jì)的無人機(jī)搭載毫米波雷達(dá)巡檢輸電線路走廊的裝置選擇毫米波段雷達(dá)進(jìn)行探測，能夠克服其他測距方法受環(huán)境影響大、探測距離短或方向性差的問題。

該裝置利用直徑不超過15 cm 的2 個(gè)較小型天線的組合替代了直徑超過25 cm 較大型的天線，既保證了探測角度，又滿足了搭載于無人機(jī)機(jī)體對(duì)尺寸和位置的安裝要求；利用處理雜波及設(shè)置門限值的方法區(qū)分探測物的屬性，能夠判別輸電導(dǎo)線、塔與非金屬物體，并計(jì)算輸電線路交跨線之間的距離，結(jié)合GPS 和高度數(shù)據(jù)可以得到三維地圖。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了無人機(jī)搭載毫米波雷達(dá)巡檢輸電線路走廊的裝置，通過使用該系統(tǒng)完成探測輸電線路走廊環(huán)境、計(jì)算桿塔、導(dǎo)線的高度及輸電線路交跨線的間距等工作，并繪制了輸電線路走廊的簡單三維地圖，對(duì)提高輸電線路巡檢效率和確保巡檢安全具有一定現(xiàn)實(shí)意義。