摘要：随着我国社会经济的快速发展，能源对于经济发展的影响也逐步扩大。其中电能作为应用能源的一类，影响其稳定运行的问题也引起了人们的注意。在此现状下，针对输电线路巡检方面的技术，也得到了快速的发展。在此背景下，本文针对输电线路上方无人机巡检避障方法，进行简要的分析研究。
关键词：输电线路;无人机;规避
引言
随着国内经济的飞速发展，电网规模不断扩大，结构越趋复杂，电网的正常运行至关重要。我国地域幅员辽阔，地形多变，输电线路大都地处野外，通过的区域是丘陵、山川、河流等，气象环境相当恶劣，采用传统的人工巡检会存在很多巡检的“盲区”。近年来，以无人机为载体进行输电线路巡检中的应用得到了快速的发展。无人机作业环境复杂，无人机的飞行安全直接影响着输电线路安全，也严重制约着无人机在输电领域的广泛应用。巡检时无人机距线路的距离仅有几十米，线路和杆塔以及通道走廊内的树木、建筑物等都可能对无人机飞行安全产生影响。对障碍物的实时检测以及自主避让是实现无人机巡检作业安全保障的关键技术。
1输电线路规避系统设计
为了实现输电线路巡检中无人机对导线的规避，对常用的障碍物检测传感器，进行分析比较。通过对比各传感器的性能特点，最终选用毫米波雷达进行输电线路规避系统设计，考虑到电网输电线路巡检实际作业过程中，无人机在输电线路右上方进行飞行，在线路位置信息已知的情况下，左侧的障碍物(杆塔、线路等)可通过航迹规划进行静态避让。故障碍物主要来自于前方与右侧，同时毫米波雷达探测距离远，故将毫米波雷达安装在无人机机头前方，作为障碍物检测的主要手段，可预留出足够的避障反应时间，具体方案如下所述。
1.1腔体设计
选用LTCC多层技术进行腔体设计，从而提高输电线路规避系统的通用性，满足无人机挂载要求，实现毫米波雷达的小型化设计。LTCC收发组件集成度高，必须对系统的各个部件合理布局，尤其是埋置在基板内部的元件。LTCC基片集成波导谐振腔结构俯视图，矩形波导的宽度为a，矩形波导的长度为b，两层金属板的距离为h，连接上下两层金属板通孔的半径为d，相邻两个通孔的距离为s，电磁波在LTCC介质中的波长为λ。基片集成波导的电磁场辐射和反射损耗主要由金属化通孔直径与相邻金属化通孔之间的距离影响，间距越小孔间能量泄露越少，电磁场辐射损耗越低。根据理论分析以及实验验证，当s＜λ，s＜4d时，基片集成波导腔体特性与传统的金属波导等效。
1.2折叠型边缘耦合带状线滤波器设计
由于传统的平行线边缘耦合滤波器单一方向长度过大，无法实现系统的小型化，因此采用折叠边缘耦合带状线滤波器。滤波器采用折叠结构，边缘耦合带状线之间的直角连接会引起寄生电感和寄生电容，需要对传统滤波器的尺寸进行修正。将经典理论得到的滤波器尺寸带入到仿真软件中优化，采用网络综合法，以等衰减为条件，经过频率变换，综合成低通原型滤波器，然后采用倒置和频率变换得到带通滤波器，最后用边缘耦合带状线代替各个元件得到滤波器的结构。
1.3LTCC低通滤波器设计
通常选择五阶切比雪夫低通滤波器，由于这个滤波器不能同时具有较好的带外抑制和通带损耗，在滤波器尺寸允许的情况下为滤波器增加传输零点。例如:在电路中增加一个电感，增加的电感与电容形成串联谐振电路，在滤波器带外产生一个传输零点。在HFSS中分别设计各个电感、电容的结构，设计后分别把不同元件的S参数导出，代替理想元件在ADS中仿真。在组合滤波器时，各元件尽量凑在一起以减小滤波器的尺寸，同时又不能距离太近，否则元件之间存在耦合，滤波器性能会下降。元件之间相互连接时尽可能的用元件本身实现连接，连接线和连接通孔都会带来寄生效应影响滤波器性能，所以一定要少用。
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1.4垂直传输通孔等效模型设计
基于LTCC技术的三维立体多层电路封装中，不同层之间的信号传输主要是采用垂直通孔过渡，实现三维电路中微带线－带状线、带状线－带状线的垂直互连。微带线传输的是准横电磁波(TEM)，带状线传输的是横电磁波，垂直传输通孔类似于同轴线结构，传输的也是横电磁波。由于传输线和垂直传输通孔之间的不连续性，随着工作频率的升高，会产生色散效应，激励高次模，降低传输特性。在频率较低时色散效应很弱，场的纵向分量很小，可以忽略。但是在毫米波波段这样较高的频率色散效应很强，不能忽视，在设计中加以考虑。
2规避算法设计
在雷达信号检测过程中，回波信号常常淹没在接收机噪声中或杂波中，如:建筑物、草地、树木、高山等背景的散射回波，这就需要在预期的虚警概率下检测出目标信号、做出准确的判决。在雷达自动检测系统中，为了使杂波和干扰对系统的虚警概率产生最小的影响，恒虚警检测技术给检测策略提供检测阀值。精确已知的干扰功率为准确设置检测门限提供了前提条件。
2.1剔除杂波算法设计
CA－CFAＲ检测器在杂波边缘处存在大量的虚警，而且多目标检测性能较差，不能适应杂波边缘和多目标环境。因此，针对这一检测方法做了众多的改进，其中比较常见的检测方法为单元平均选小(SO－CFAＲ)和单元平均选大(GO－CFAＲ)，三种检测方法的检测概率与信噪比关系，SO－CFAＲ和GO－CFAＲ是针对杂波边界问题提出来的，检测性能较好。
2.2最大模糊数搜索实现多目标检测算法设计
实际背景中目标不会同时处于同一个距离－多普勒单元，因此目标之间不会存在相互干扰。单元最大模糊数搜索法只需进行一次模糊数遍历，就可以得到所有目标的积累峰值及相对应的模糊数，在取得模糊数的情况下对信号进行修正并做相参积累，具体步骤如下，Kmax为目标最大可能速度所对应的最大模糊数。
2.3柱状空间规避法
柱状空间规避，类似于地图软件配合无人机运行的方式。具体实施的过程中，首先将所巡检区域范围内的地图数据进行上传，上传至无人机后。中控台以及无人机之间进行数据互动，最终通过内置的数据地图，比对实际GPS的反馈数据。两项数据在中控台系统进行比对，之后将比对数据发送至无人机系统。无人机系统比对发送数据，最终运行其巡视线路。最终达到规避障碍物的目的，其中GPS模块—障碍物—中控台—无人机—输电线路，五方之间数据形成的数据模拟图，称之为柱状空间规避法。
结语
基于LTCC技术和毫米波雷达，设计的输电线路规避系统满足大型无人机的挂载要求，可实现在50m距离对输电导线和地线的检测，检测误差小于1m，系统检测可靠性高，通过对检测到的障碍物信息和线路位置信息的解算，进行规避动作。对提高无人机可靠性，保障无人机巡检系统和输电线路运行安全具有重要的意义。
参考文献
[1]彭向阳，钟清，饶章权，等.基于无人机紫外检测的输电线路电晕放电缺陷智能诊断技术［J］.高电压技术，2014，40(08):2292－2298.
[2]刘志武.轻型无人机在输电带电作业中的应用［J］.电力大数据，2018，21(11):83－87.
[3]邓荣军,王斌,熊典,等.基于遗传算法的输电线路无人机巡检路径规划[J].计算机测量与控制,2015,23(4):1299-1301.
[4]王锐,王柯,徐晓刚,等.输电线路无人机巡检地面测控站及运输保障系统设计[J].广东电力,2014(2):87-92.
[5]熊典,王斌,代礼弘,等.基于SOC的无人机巡检剩余续航时间预测方法[J].电源技术,2015,39(1):105-107.
论文作者:高慧勇,王海兵,王建辉,孙三平,张新军,闫鹏峰
论文发表刊物:《中国电业》2019年第12期
论文发表时间:2019/9/29
标签：无人机论文; 滤波器论文; 线路论文; 波导论文; 带状论文; 障碍物论文; 毫米波论文; 《中国电业》2019年第12期论文;