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摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，无人机进行输电线路巡检时，常常存在与输电线路发生碰撞的风险，为解决无人机巡线系统及输电线路运行安全存在的问题，本文对超声波传感器、激光雷达、毫米波雷达和双目摄像机等不同的障碍检测传感器进行指标性能分析，基于毫米波雷达传感器设计了输电线路规避系统，基于毫米波雷达采集到的障碍信息，采用恒虚警算法和多目标检测算法，设计了自主动态规避算法，能够适应杂波边缘和多目标干扰环境，且只需进行一次模糊数遍历，即可实现多目标的检测，采用流体扰动算法实现对巡线航路的实时规划。试验结果表明，输电线路规避系统对输电导线和地线的测试范围在50m左右，误差小于1m，规避效果良好，对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。
关键词：输电线路;无人机;毫米波雷达;导线;规避
引言
随着电网的快速发展，架空输电线路分布点多面广，所处地形复杂，传统的人工巡检方法不仅工作量大、耗时长、效率低，而且受人为因素制约，一些线路缺陷或故障点不容易被发现。在一些国家和地区，载人直升机巡线方式已取代人工巡线成为主要的巡线手段，通过在直升机上搭载光学相机、红外热像仪、紫外成像仪等多种传感器，实现对输电线路缺陷和线行环境多维度巡检。但是，由于载人直升机的巡检方式成本太高，在我国难以普及，因此，费用相对较低的无人机用于高压输电线路的巡检，是当今电力新技术的一个很有前景的发展方向。
1输电线路巡检工作内容
输电线路巡检工作主要是对线路本体、附属设施等进行有效检查和巡视，明确输电线路的运行状态，便于及时发现输电线路运行中出现的问题。输电线路巡检工作分为正常巡视、故障巡视和特殊巡视三种模式。它们都采用人工地面巡检的基本形式。不同类型的巡检工作有不同的工作要求，需要合理安排无人机巡检路径。为更好地满足输电线路巡检工作要求，要了解线路的运行情况，综合性分析各方面影响因素，实现对现有资源的科学运用，以此保证输电线路运行的稳定性和安全性。
2输电线路规避系统设计
2.1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如图1所示，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。在有源芯片的腔体设计中，根据国内LTCC加工工艺和设计指标需要，采用多个接地通孔形成等效腔体，等效腔体一方面能够减小热膨胀引起腔体变形，另一方面使设计更灵活。基于多个接地通孔形成的等效腔体结构，为腔体提供了芯片与其它电路的隔离，同时也提供了可靠性和环境保护。然而由于腔体的谐振特性，置于金属腔体中的有源裸芯片可能产生与预期不同的传播路径，导致在腔体中产生串扰和振荡。由于TE101模谐振与谐振腔的高度没有关系，确定谐振频率后就可以选择腔体的长度和宽度，通过选择合适的腔体尺寸，使放大器的工作频率远离腔体的谐振频率，从而使有源器件在腔体中产生的反馈最小。
2.2通信系统
无人机线路巡检过程中，一方面需接收来自地面控制中心的控制信号，以实现导航、巡线、避障等工作；另一方面需把巡检过程中拍摄的照片、巡检的数据通过无线网络传输到地面信息处理中心。无人机线路巡检过程产生的数据很庞大，仅依靠存储设备不能满足其要求，往往需要将这些数据传到地面信息处理中心，所以能否及时、有效、正确地将巡检的数据传回，直接影响到无人机线路巡检的质量。输电线路常布设在人迹罕至的区域，其地理位置复杂，地形变化多样，高山、树林、建筑、高压输电线路的电磁干扰物对无线网络的传输具有很大的影响，因此建立一个安全、可靠、通信能力强的无线传输通道非常重要。
2.3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。
2.4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。
3无人机线路巡检展望
无人机线路巡检与人工线路巡检、直升机线路巡检相比有很多的优点，但是我国高压输电线布设的特殊性，造成了巡检地形复杂、变化多样，高山、树林、建筑等障碍物较多，给无人机线路巡检带来了很多的挑战，因此无人机线路巡检路径规划对于节约能源、提高巡检效率有直接的影响。同时，由于无人机自身条件限制（如飞行高度、可控范围、电量、飞行距离等）无法完成线路巡检的所有巡检任务，因此制定合理、完善的巡检任务对于无人机巡检有着重要作用。随着控制技术、导航技术、通信技术的进步，为无人机全自主线路巡检提供了可能，各种无人机的出现也让无人机的发展变得更加专业化和智能化，加上检测仪器的小型化、微型化，使得无人机上可携带更多的检测仪器。这些对于提高线路巡检效率、精确度具有重要作用。无人机线路巡检在我国的起步较晚，要完全自主地进行线路巡检还有待技术上的突破。如无人机按照既定的巡检任务，通过简单的设置可自主起飞、巡线、返航；按照输电线路的布设，全自动线路巡检；全自动避障功能；遇到突发事故（大风、雷电、下雨）时的紧急返程功能；长时间、长距离、大范围的线路巡检；简单、方便的数据存储和高速、准确、有效的数据通信功能。
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］徐云鹏，毛强，李庭坚.输电线路机巡与人巡效果对比及协同巡检建议［J］.南方电网技术，2016，10(02):44－47.
［2］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.
论文作者:史哲欣
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/17
标签：无人机论文; 线路论文; 毫米波论文; 波导论文; 带状论文; 滤波器论文; 谐振论文; 《当代电力文化》2019年第11期论文;