无人机搭载毫米波雷达巡检输电线路走廊的装置研究

郑天茹，顾 灏，娄婷婷，张丹丹，王 然

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.国网山东曲阜市供电公司，山东 曲阜 273100）

0 引言

随着我国电力行业的快速发展，架空输电线路总长度急剧增长［1-3］，无人机等自动化巡检手段越来越多地应用于架空输电线路巡检工作中。输电线路的环境与地形多种多样，对线路走廊进行巡检并绘制三维地图，可以查看线路走廊环境，提高无人机巡检效率［4-8］。

目前的测距方法主要有激光法、视觉法、超声波法、红外法和微波雷达法。激光法和视觉法的准确度在雾天雨天时很低［9-12］；超声波法只适用于较短距离的测量［13-14］；红外法受环境影响大，悬浮颗粒会造成干扰，且方向性差［15］。微波雷达受天气、粉尘颗粒等因素影响较小，且探测距离足够远、精度足够高，可同时获得相对距离和相对方位角信息，能够较好地完成无人机巡检工作［16］。为了避免与无人机搭载的电子设备间的电磁干扰［17］，选用毫米波作为雷达发射频段。参考文献［18］中描述了一种毫米波雷达成像技术的应用，但无法进行探测物属性的判别，且只能识别远距离大体积物体和近距离小体积物体。参考文献［19］中描述了一种可用于无人机的毫米波雷达，采用了大小发射角度结合的方法，天线尺寸由于存在发射角度，半径无法减小，且缺少对探测物体属性判别，无法完成对输电线路走廊巡检的工作。

为解决此类问题，设计了一种无人机搭载毫米波雷达巡检输电线路走廊的装置，利用无人直升机搭载机载毫米波雷达装置，同时配备高清的摄像机，毫米波雷达信号被处理后送入飞行控制系统机载控制计算机，实现无人机巡检输电线路走廊以及绘制简单三维地图的功能，为提高巡检工作的效率和安全性提供保障。

1 装置组成

无人机搭载毫米波雷达巡检输电线路走廊装置的结构如图1 所示。该装置主要包括机载毫米波雷达装置和机载飞行控制系统两部分。

1.1 机载毫米波雷达装置

图1 装置结构

机载毫米波雷达装置包括双天线、毫米波的发射／接收单元、A／D 转化器、杂波处理单元、信号积累器、FFT 单元、信号处理模块。其中，双天线为同型号，且口径不超过15 cm；毫米波发射／接收单元配备毫米波雷达发生器和毫米波雷达接收器，与双天线的连接为全双工通信模式；杂波处理单元为单片机，根据金属和非金属的反射率在毫米波波段下存在很大差别的特点，设置一定的限值，用于区分输电线路、杆塔与其他物体；信号积累器用于积累所采集的信号，积累到一定数值后，输入FFT 单元；FFT 模块为DSP 芯片，采用快速傅氏变换算法（FFT），有效提高运算速度；A／D转化器将毫米波发射／接收单元通过双天线获得的信号进行转化，而后通过杂波处理、信号积累和FFT 算法进行处理，进而输入信号处理模块；信号处理模块为DSP 处理器，接收飞行控制系统机载控制计算机中的气压高度数据和GPS 数据，并结合由FFT 算法计算得出的相对距离、相对角度，生成输电线路走廊的三维地图，信号处理单元连接机载飞行控制系统。

机载毫米波雷达装置安装在无人机机体的正下方或前侧下方，其中双天线为对称安装，如图2 所示，保持探测角度以垂直方向为轴对称，其中∠1 和∠2 分别为两天线的探测角度。

1.2 机载飞行控制系统

机载飞行控制系统包括飞控系统机载控制计算机，它分别与陀螺仪、加速度计、数字罗盘、GPS 模块、气压高度计、PCM 遥控接收机、转速测量计、舵机控制器连接。此外，机载飞行控制系统还与无人直升机搭载的高清摄像机检测设备［5］相连，高清摄像机检测设备主要辅助完成无人直升机安全飞行及巡检中的安全隐患确认工作。

图2 天线安装位置

2 巡检流程

利用该装置进行对输电线路巡检的工作流程如图3 所示。

图3 输电线路巡检的工作流程

规划无人机行驶路线。对输电线路走廊进行巡检时，无人机应在输电线路侧上方沿输电线路走向飞行，飞行高度及安全距离应根据无人机机型及输电线路实际环境选择。

无人机搭载机载毫米波雷达完成巡检工作。毫米波探测信号由毫米波雷达发生器通过天线发出；毫米波信号被输电线路、杆塔及探测范围内其他物体反射，再由天线采集，输入毫米波雷达接收器，通过A／D 转化器进行转换，得到包含相对方位和相对距离的信号；信号经过杂波处理单元，处理杂波并判断出信号对应的物体为金属／非金属；信号积累器将输入的数据逐步累计达到某一限值（可规定为1 024 个）时，整合为1 个组，将该组数据整体输入FFT 单元进行FFT 算法处理；飞行控制系统机载控制计算机采集GPS 数据和气压高度数据，输入信号处理模块，同时由于无人直升机巡检速度相较各模块对数据和信号的处理时间极慢，可忽略由于计算延误造成的误差，将这些数据与FFT 单元处理后的数据相匹配，得到信号点相应的高度与GPS 值，并将基本属性为金属的两线状物体的重合点判定为电力交跨线，并计算出间距，得到仅有基本轮廓的简单输电线路走廊三维地图。

地面图形工作站处理数据。得到简单的三维地图后，如需更直观清晰地得到输电线路走廊具体情况，则在无人机巡检任务完成后，可在地面图形工作站中，利用高清图像与三维地图进行匹配和拼接，最终得到包含物体属性、色彩、形状、高度、GPS 值等信息的三维地图。

3 创新及效果分析

设计的无人机搭载毫米波雷达巡检输电线路走廊的装置选择毫米波段雷达进行探测，能够克服其他测距方法受环境影响大、探测距离短或方向性差的问题。

该装置利用直径不超过15 cm 的2 个较小型天线的组合替代了直径超过25 cm 较大型的天线，既保证了探测角度，又满足了搭载于无人机机体对尺寸和位置的安装要求；利用处理杂波及设置门限值的方法区分探测物的属性，能够判别输电导线、塔与非金属物体，并计算输电线路交跨线之间的距离，结合GPS 和高度数据可以得到三维地图。

4 结语

设计了无人机搭载毫米波雷达巡检输电线路走廊的装置，通过使用该系统完成探测输电线路走廊环境、计算杆塔、导线的高度及输电线路交跨线的间距等工作，并绘制了输电线路走廊的简单三维地图，对提高输电线路巡检效率和确保巡检安全具有一定现实意义。