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摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，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
输电线路输送的电流主要分为交流输电和直流输电，19世纪90年代，直流电研发成功，但当时技术难以提升直流输出的电压，在19世纪末被交流输电替代，交流电于20世纪开始正式成为电气化时代的主要线路输送电流形式。输电线路主要有两种线路形式，分别是架空输电线路和电缆线路，其中架空输电线路主要架设在地面之上，野外分布较广，地形复杂，自然环境较恶劣。输电线路设备受自然环境和人为因素的影响，自然环境影响表现在长时间暴露在野外，经常受到雷击、覆冰导致材料被腐蚀老化。人为因素影响主要为人为倒塔、断股、磨损等现象，这些都需要得到及时修复和更换。
1 技术路线
在输电线路无人机智能巡检管理系统建立的时候，工作人员需要对相关的数据模型其内部共享资源，应借助小型化、模块式、可编辑的软件，并依托于J2EE技术，设计多层技术实施方案。而且，还需研发第三方软件供应商数据接口。使几种不同专业的软件可集成在一起，便于无人机电路巡检业务实现统一、规范的管理，具体该系统的技术结构如图1所示。由图1可知：（1）前置层内部设置了信息采集、控制、清洗、存储等功能。（2）表现层包括了巡检管理系统中的管理工具，可以对C/S结构数据进行利用。（3）应用服务层面向客户提供了一些服务功能，例如：可浏览图像、分别及识别富媒体、管理作业、电网拓扑与管等。（4）应用逻辑层主要是面向系统研发/管理人员的系统工具，可管理系统客户的使用权限、识别飞行图像信息、统计分析空间数据、搭建通用业务的组件等。（5）数据访问与数据库均属无人机智能巡检系统中的数据管理系统范畴，可实现对数据访问过程的控制管理及储存无人机智能巡检系统中数据。
2 无人机巡检的输电线路规避系统设计
2.1 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。
2.2 数据库设计
依据无人机立体智能巡检应用平台的数据特性，将数据划分为基础数据、事务数据、非机构化数据等类型。并与其他系统进行集成数据交互，保障数据的实时性、唯一性、准确性。其中，基础数据主要包含基本台账信息。其包括无人机台账信息、备品备件信息、驾驶员信息、供应商信息、设备台账信息等;事务数据主要包括禁飞区数据、空域申请记录数据、飞行计划数据、飞行申请数据、定位数据、维修保养数据等;非结构化数据主要包含无人机政策法规、规范方案、日常规范文档、驾驶证照片、无人机照片、巡检照片、巡检视频、导入模板等。系统数据是无人机巡检系统运行和服务的数据基础，由一系列的结构化数据和非结构化数据组成;无人机巡检系统数据主要由电网资源数据、地理信息数据、计划任务数据、飞行监控数据、巡检照片数据、巡检视频数据等多种数据构成。电网资源数据主要是通过与生产管理系统集成而获取的。其为无人机巡检系统的主体基础数据，是飞行任务的主体数据。主要记录电网设备资源台账数据。地理信息数据主要是通过与地理信息系统集成而获取的。其为无人机巡检系统主体基础数据的补充，是空域申请及飞行监控的参照数据。主要记录电网资源的地理信息数据及地图数据。计划任务数据是无人机巡检系统中开展计划制定分解以及任务安排执行产生的生产应用数据。其主要是实现无人机巡检任务从计划到执行的管理，保证飞行有计划、有执行。飞行监控数据是无人机巡检系统中监控飞行任务执行过程的数据。其主要是实现无人机巡线任务在线监控，保证飞行作业安全、合规。巡检照片数据及巡检视频数据是无人机巡检系统中管理的无人机输电线路巡检任务对应的飞行成果数据。主要实现巡检成果数据的逻辑管理，并为后续缺陷分析提供基础数据。
2.3 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2所示，矩形波导的宽度為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。
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.
关键词：输电线路;无人机;毫米波雷达;导线;规避
引言
输电线路输送的电流主要分为交流输电和直流输电，19世纪90年代，直流电研发成功，但当时技术难以提升直流输出的电压，在19世纪末被交流输电替代，交流电于20世纪开始正式成为电气化时代的主要线路输送电流形式。输电线路主要有两种线路形式，分别是架空输电线路和电缆线路，其中架空输电线路主要架设在地面之上，野外分布较广，地形复杂，自然环境较恶劣。输电线路设备受自然环境和人为因素的影响，自然环境影响表现在长时间暴露在野外，经常受到雷击、覆冰导致材料被腐蚀老化。人为因素影响主要为人为倒塔、断股、磨损等现象，这些都需要得到及时修复和更换。
1 技术路线
在输电线路无人机智能巡检管理系统建立的时候，工作人员需要对相关的数据模型其内部共享资源，应借助小型化、模块式、可编辑的软件，并依托于J2EE技术，设计多层技术实施方案。而且，还需研发第三方软件供应商数据接口。使几种不同专业的软件可集成在一起，便于无人机电路巡检业务实现统一、规范的管理，具体该系统的技术结构如图1所示。由图1可知：（1）前置层内部设置了信息采集、控制、清洗、存储等功能。（2）表现层包括了巡检管理系统中的管理工具，可以对C/S结构数据进行利用。（3）应用服务层面向客户提供了一些服务功能，例如：可浏览图像、分别及识别富媒体、管理作业、电网拓扑与管等。（4）应用逻辑层主要是面向系统研发/管理人员的系统工具，可管理系统客户的使用权限、识别飞行图像信息、统计分析空间数据、搭建通用业务的组件等。（5）数据访问与数据库均属无人机智能巡检系统中的数据管理系统范畴，可实现对数据访问过程的控制管理及储存无人机智能巡检系统中数据。
2 无人机巡检的输电线路规避系统设计
2.1 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。
2.2 数据库设计
依据无人机立体智能巡检应用平台的数据特性，将数据划分为基础数据、事务数据、非机构化数据等类型。并与其他系统进行集成数据交互，保障数据的实时性、唯一性、准确性。其中，基础数据主要包含基本台账信息。其包括无人机台账信息、备品备件信息、驾驶员信息、供应商信息、设备台账信息等;事务数据主要包括禁飞区数据、空域申请记录数据、飞行计划数据、飞行申请数据、定位数据、维修保养数据等;非结构化数据主要包含无人机政策法规、规范方案、日常规范文档、驾驶证照片、无人机照片、巡检照片、巡检视频、导入模板等。系统数据是无人机巡检系统运行和服务的数据基础，由一系列的结构化数据和非结构化数据组成;无人机巡检系统数据主要由电网资源数据、地理信息数据、计划任务数据、飞行监控数据、巡检照片数据、巡检视频数据等多种数据构成。电网资源数据主要是通过与生产管理系统集成而获取的。其为无人机巡检系统的主体基础数据，是飞行任务的主体数据。主要记录电网设备资源台账数据。地理信息数据主要是通过与地理信息系统集成而获取的。其为无人机巡检系统主体基础数据的补充，是空域申请及飞行监控的参照数据。主要记录电网资源的地理信息数据及地图数据。计划任务数据是无人机巡检系统中开展计划制定分解以及任务安排执行产生的生产应用数据。其主要是实现无人机巡检任务从计划到执行的管理，保证飞行有计划、有执行。飞行监控数据是无人机巡检系统中监控飞行任务执行过程的数据。其主要是实现无人机巡线任务在线监控，保证飞行作业安全、合规。巡检照片数据及巡检视频数据是无人机巡检系统中管理的无人机输电线路巡检任务对应的飞行成果数据。主要实现巡检成果数据的逻辑管理，并为后续缺陷分析提供基础数据。
2.3 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2所示，矩形波导的宽度為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。
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.