无人机飞控系统配电线路巡检抗干扰的关键策略研究

陶金龙，王学峰，余子彬，田亚山，王 健

（深圳供电局有限公司 广东 深圳 518200）

0 引言

目前，我国配电线路的巡视工作面临着巨大的压力，传统的巡视方法有其不足之处，即要对每一条线路进行精确的监测，不仅工作量大且效率低，经常会在日常工作中出现失误。无人机技术的兴起和发展，为配电线路巡检开辟了一条新的道路，其优点显著，是目前配电线路巡检的主要手段。且在高速发展的社会经济作用下，电力网络的规模迅速扩大，已遍布全国各地，偏远山区等地区均已开通电力。配电线路环境复杂，受气候、山川、河流等环境因素的影响，远距离超高压配电线路和设备容易出现破损、老化等现象，对电力传输造成安全隐患[1]。要确保电力系统的安全、稳定运行，必须对配电线路进行定期监控，掌握其工作状态，及时发现和排除安全隐患。由于受地理、气候、环境等多种因素的影响，常规的人工巡检存在着一定的“盲区”，因此，必须采用高效、智能的新举措。

1 智能无人机巡检系统

在市场需求推动下，智能无人机巡检系统应运而生，它具有操作简单、反应迅速、载荷丰富、任务范围广泛、对环境要求低、自主飞行等显著特点。这是由于配电线路的绝缘子小、金具小及靠近居民区等，尽管其塔杆高度并不高，但其飞行的难度要比输电线路大得多。在视频监控过程中，由于配电线路自身的特点，在巡检过程中需要获取更加细节化的图片信息，因此无人机需要与对方离得更近，为此也对相关巡检技术提出了更高的要求[2]。智能无人机巡检系统，如图1所示。

图1 智能无人机巡检系统

2 无人机巡检系统抗干扰

无人机巡检系统抗干扰以智能无人机巡检系统为基础，主要包括电路板布线设计、抗高频信号干扰设计、接地设计，以及强电保护设计等内容。电路板布线元件设计及排列是邻近器件间的耦合，适当的布线设计可以降低不必要的干扰。

基于无人机巡检系统抗干扰，一是将器件的电压、电流大小与器件类型（如数字器件、模拟器件高频器件、低频器件）进行划分，然后将电路板上的高频、中频和低频线路实行区分。二是在元器件的配置上，充分考虑到噪声、抗干扰等因素，采用最小的碱基分布参数。同时，合理地划分了模拟信号、数字信号和噪声源（时钟发生器、晶振）。此外，板面印刷线材的排列除要遵循了“3-W”“45°角轨迹”等基本原则，还要适当地设置插孔，利用插孔把导线拉出，以保证板面的布线均匀、美观，并增加电源线以保证线路的供电。通过选用合适的接地方式，可以有效地解决抗干扰问题。该巡检系统抗干扰采用多点接地方式、低频率信号采用单点接地方式，并在电路板上镀铜，将电路板的空白区变为公用区，从而增强抗干扰性。

飞控系统在高电压环境下工作，因此对其进行强电流保护非常重要。通过光耦隔离了飞控系统的马达控制信号，使得它在高电流条件下不会对巡检系统产生任何影响。

3 无人机飞控系统抗干扰在配电线路巡检中的优势

3.1 技术优势

无人机既无人驾驶飞机的简称，其飞控系统抗干扰可以通过远程控制装置和内部控制程序进行抗干扰调节，这种装置不能用于载人，一般用于农业、航空摄影、测绘等领域，其技术优势主要表现为：1）由于无人机的透镜性能较好，在飞行时可以获取到目标区域的详细影像，特别是在低空飞行时，得到的影像更为清楚，因而可以得到大量的数据；2）无人机起降灵活，不需要太多的环境，可以在狭窄的空间里进行快速地起飞，同时也可以满足野外作业的需要；3）随着5G技术的迅速发展，无人机可以对配电线路进行更高效地采集，并将数据及时传输到客户端，便于用户对线路状况进行统一监测[3]。

3.2 满足配电线路巡检需求

通过采用无人机飞控系统抗干扰关键技术，可以克服以往人工巡检的缺点，使无人机能够较好地适应配电线路巡检的需求，其优势主要表现：

1）无人机巡检不会受到任何环境的影响。通过对配电系统中的绝缘子、导地线等相关元件进行多角度、近距离的观察，获取详细的影像数据，可以有效地防止输电线路的安全隐患。与传统的方法相比，这种方法不受地形条件的制约，既可以减少常规巡检中的安全隐患，又可以大大提高作业效率。

2）不会受到天气的影响。在恶劣的天气条件下，常规的人工监测方式难以进行，而在无人机技术及飞控系统抗干扰技术的帮助下，这个问题得到了极大的改善，在降雨、降雪等气候条件下，无人机能够正常工作，但在某些特定的天气条件下，传统的手工操作难以进行。另外，在炎热的天气里，人工巡逻队的工作效率较低，因此无人机巡检系统能够极大降低人工巡检难度，并提高工作效率。

3）便于携带，工作效率高。由于传统的作业方式，不同地区使用的仪器设备有很大差别，因此在一次线路巡视时，工作人员要携带大量的仪器和设备，这给有关工作的开展造成了一定的困难。然而，由于无人机重量轻、体积小，便于携带，可以为工作人员节约大量的时间，且其数据的准确率和传统人工检测相同。

4 无人机巡检系统抗干扰测距分类和选择

超声波测距、红外测距、激光测距、微波测距、毫米波雷达测距、电磁场测距等，是目前比较常用的测距方式。

测距原理对红外测距的应用范围产生限制，激光测距抗干扰能力较弱，而超声波测距虽然简单、抗干扰能力强，但一次测距距离短，不宜应用于无人机避障。微波、毫米波雷达除具有很好的抗干扰性和方向性外，还具有较高的长程测距能力，其测距范围可达几百米，测量精度可达毫米，但是毫米波雷达比微波雷达更易于实现微型化，因此毫米波雷达在无人机抗干扰系统的研制上具有优势。

另外，针对配电线路巡检无人机对目标配电线路的特点，提出了一种基于电磁场检测的新的测距技术。这种测量方式的特点是随着配电线路的临近，尤其适用于电力巡线无人机在配电线路上巡逻时，对配电线路进行保护。毫米波工作在微波与光之间，且波长范围在1～10 mm。因二者具备优势：其带宽范围为（26.5～300）GHz，是直流-微波总带宽的10倍；光束较窄，能在较短距离内，对于较小的目标或较清楚地看到其细节；传播受到天气的影响较小，可以被视为具有全天的特征。为了满足电线周边磁场的测量精度、稳定性、重量、抗干扰等诸多要求，高精度电磁场探测传感器/系统可以根据不同的工作范围和工作环境，选用多种类型的电磁探测设备进行组合。

5 无人机飞控系统配电线路巡检抗干扰关键策略

5.1 强化巡检抗干扰安全性

由于其工作环境是在高电流条件下进行的，在特定的飞行环境下，对其控制系统进行了严格的安全设计。如完美的防护罩可以阻止外界的辐射进入系统，同时也可以阻止系统的干扰能量向外辐射，防护罩必须完整，必要的缝隙、通风孔、电缆孔等必须进行适当的防护，并且要有一个可靠的接地。合理的接地系统可以起到很好的抗干扰作用，小信号、大信号、干扰线路应尽量隔离接地，尽量减小接地电阻。适当的滤波技术可以有效地滤掉高阶谐波，并适当地选取滤波器的通频带，使漏电流损失最小。限幅技术可以对非工作水平进行限制，限幅水平应该在工作水平以上，且应该是双向的。选择合适的接线和接线方式，如有需要，可以采用光缆替代长缆。在距引线5 m的地方，全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）的搜索次数没有明显的干扰，搜索次数均在18个以上。在试验期间（图2和图3），遥控通信链路正常，数传通信链路运行良好，通信无明显干扰。

图2 无人机飞控系统抗干扰作业

图3 无人机抗干扰作业测试过程

为保证无人驾驶飞机正常运行，应采取下列抗干扰措施：

1）常规的无人飞行器飞行控制系统依靠地磁传感器获取飞行器的航向角度，在有电线的带电情况下，很容易被干扰，从而导致飞行器的姿态漂移。为了实现无人驾驶飞机的带电飞行，必须将磁力传感器和双天线差分全球定位系统（global positioning system，GPS）测姿结合起来，从而确定无人机的航向角度。

2）为保证飞行控制系统符合带电作业的安全要求，飞行控制系统根据EMC的要求，在机舱的内壁铺设导电涂料，具有良好的防护效果，能有效地防止静电、电磁辐射等干扰。飞控系统与其他子系统之间的电连接使用航空插头，并使用屏蔽电缆进行连接，各子系统的主要电路板均为DC-直流电源，并与周边信号进行光电隔离，因此电路板均喷涂三防涂料，具有绝缘、防潮、防漏电、防振动、防灰尘、防腐蚀等功能。

5.2 采用毫米波雷达测距

1）测距传感器的距离传感信号通过预处理模块，将模拟信号变换成数字信号，再将周围的环境信息以通信方式进行封装，并通过通信接口向飞行控制系统发送数据。飞行控制的应急避障模块主要负责对周围环境的信息进行分析和计算，并确定避障的正确路径，然后向无人机的功率系统发出控制信号，完成规避。

2）信号处理：由于无人机在探测配电线路时，飞行高度很低，采用毫米波雷达探测导线、地线等较小的目标时，地面上的存在所产生的回波会产生很大的干扰，因此必须对其进行降噪处理。利用A/D变换器件将测距传感器所探测到的模拟信号转化为数字信号，采用信号处理技术对强干扰信号进行有效的抑制，并对有效检测信号进行放大，消除干扰，从而提高了MR检测的准确性。

在某次巡视中用毫米波雷达测得了一段距离（表1），并将其转换为与起飞的地面高度（表2）。结果表明，毫米波雷达测距在精度上与GPS相近，精度高，稳定性好。

表1 毫米波雷达测地距离数据 单位：m

表2 折算后无人机距地面高度 单位：m

5.3 采用电磁场测距

按照麦克斯韦电磁原理，电线周边的电磁场会在附近形成一个强大的电磁场。我国的传输频率是50 Hz，它所发出的电磁波是一种波长在6 000 km以上的超低频（工频），电线附近的电场、磁场是有规律分布的。利用机载电磁场探测传感器探测到的电磁场强度和方向，可以得到无人机与电线之间的距离，从而确定无人机是否有潜在的危险，这就是电磁测距的主要目标。无人机巡视线路时，必须要与线路保持一定的安全距离，在这个距离内，电磁场的强度会大幅度降低，而且无人机的体积比工频电磁波要小得多，它的电磁辐射能量也很低，因此必须采用高精度的探测器。

在超高压线路20 m以内，无人飞行器的磁场方向会出现间断的扰动；在超高压线路10 m以内，无人飞行器的磁场方向会发生很大的干扰。利用双差分GPS技术对无人机的航向跟踪结果表明，双差分GPS技术对无人机的航向性能有较好的影响，该技术实现了无人飞行器在5 m外的航向不受明显的干扰，其性能与30 m以上的情况相符合。在距离超高压带电线路5 m的情况下，无人机姿态传感器的姿态测量状况良好，未受到严重的干扰，在悬空试验中，5 min的姿态测量结果和30 m外的姿态稳定性相当，不存在明显干扰。

6 系统试验环节及结果

目前，飞控系统抗干扰无人机巡视系统已投入相关应用，是一种重要的安全保障机制，本文试验采用振动实验与仿真实验对无人机飞控系统的抗干扰技术进行测试，以验证其性能与可靠性。

6.1 试验采用方法

6.1.1 振动试验

采用仪器对无人机机身振动频谱进行分析，使用专用振动台对其进行仿真，然后在振动台上安装信号采集模块，检测其工作情况。

6.1.2 仿真试验

利用实验室、配电线路训练场地等环境，对监测过程中遇到的干扰因素进行静态仿真，检测信号采集模块能否检测到导线、树木等，并对其进行检测。通过在诸如交通工具等动态运动对象上安装信号获取模块，测量指定的线路、树木等障碍物，以验证其在动态状态下的可视化程度。

6.2 结果分析

根据上述飞控系统抗干扰对策与试验环节开展实际测量工作，测试效果显示：1）利用无人机飞控巡检抗干扰系统可以顺利开展测距，信号采集模块具备较高的测距准确度，能够在30～100 m范围内探测到毫米以下的障碍物，能够较好避免导线、树木等障碍物的影响。2）在距配电线路5 m处，信号采集模块的搜索次数未显示出明显的干扰，具备良好的抗干扰效果。3）仿真试验中，毫米波雷达测距在精度上与GPS相近，精度高，稳定性好。4）电磁场测距中，超高压带线电线5 m处，无人机机载气压高度仪的姿态测量状况良好，与双差分GPS的测量结果基本吻合，不存在明显的干扰。

此外由于其工作环境的特殊性，以及作为整个避障系统的关键部件，必须具有较高的可靠性和较强的抗振动能力、高实时性。通过对周围环境的分析，可以在短时间内确定是否要进行抗干扰，从而实现整体路线的规划[4]。

7 结语

综上所述，利用数学方法对配电线路的电场强度进行了数值检测，从而使雷达、红外、超声波、激光避碰等技术应用于一体，通过优化避障系统的组合，既能保证无人机的负重，能保证图像的准确性，又能更精确地进行抗干扰，达到自主起降、超视距测控、自主避障、自主巡逻的效果，是电网监控、监控手段的重要创新。