專利名稱：一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及一種無人機巡檢線路走廊裝置，尤其涉及一種基于毫米波雷達的 無人機巡檢線路走廊裝置。
背景技術(shù)：
[0002]近年來，我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展對我國電力工業(yè)提出了越來越高的要求。 為了安全和可靠地供電，巡檢線路維護自動化和現(xiàn)代化已日益顯示出其迫切性。采用無人 機空中作業(yè)對線路走廊及桿塔等進行巡查，能夠克服利用有人駕駛的直升機進行巡檢線路 的維護費用昂貴、安全問題突出等弊端，但由于我國國土遼闊，地形、氣象復(fù)雜，輸電線路所 處地形與環(huán)境也多種多樣，設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)線路走廊的三維地圖繪制方法與裝置，可以 及時了解和掌握線路運行環(huán)境是否有危及線路安全運行的隱患，對輸電線路安全性及無人 機巡檢聞效性具有很大的實際意義。[0003]實現(xiàn)方法有可用于三維地圖繪制的方法，主要有激光測距法、超聲波測距法、紅外 測距法、視覺測距法和微波雷達測距法，其中激光測距法、超聲波測距法、紅外測距法和視 覺測距法已有多項專利論文描述，也取得了相應(yīng)的有益效果，但將其用于無人機巡檢線路 走廊并實現(xiàn)線路走廊的三維地圖繪制并不適用激光測距法和視覺測距法的準確性受環(huán)境 影響較大，有霧或濕度特別大的情況下測量數(shù)據(jù)不準確，限制了無人機對線路走廊的巡檢 條件；超聲波測距法只適用于較短距離(4-5米)，無法應(yīng)用于無人機對線路走廊的巡檢；紅 外測距法方向性差，且受環(huán)境影響大，粉塵、懸浮顆粒的存在均能對其造成干擾，不適用于 無人機巡檢線路走廊。微波雷達探測距離遠、精度高，測量性能受天氣等外界因素的影響較 小，且可獲得無人機與目標物體之間的距離和相對方位角，適用于無人機對線路走廊的巡 檢。為了盡量降低微波雷達與無人機搭載的其他電子設(shè)備間大的電磁干擾，選用毫米波段 發(fā)射雷達(無人機搭載的其他電子設(shè)備工作頻率無毫米波段)。[0004]現(xiàn)有利用毫米波雷達進行成像的技術(shù)主要是用于移動車輛的避障，如專利號為 200980144638的《移動毫米波成像雷達系統(tǒng)》，此類專利取得了一定的有益效果，但不能用 于無人機搭載進行線路走廊巡檢，主要因為其缺點如下[0005](I)天線尺寸大；天線尺寸大對應(yīng)毫米波發(fā)射角度大，獲得數(shù)據(jù)范圍廣，但無人機 體積有限，且安裝空間需要根據(jù)無人機空間和配重決定。[0006](2)探測物屬性判別；移動車輛避障僅需根據(jù)圖像判斷有無物體，不許判別物體屬 性，但無人機巡檢線路走廊需分辨導(dǎo)線、塔(金屬)與背景(非金屬)，需增加判別物體屬性。[0007](3)算法選擇；移動車輛避障僅需毫米波識別遠距離體積大的物體和近距離小物 體，但無人機巡檢線路走廊時，需要識別線徑小(直徑約Ilmm地線)導(dǎo)線的相對距離，數(shù)據(jù)計 算量大，需使用快速算法。[0008](4)信息疊加；移動車輛避障僅需得到相對的大概位置和距離，無人機巡檢線路走 廊時，由于無人機實際進行巡檢任務(wù)時，飛行高度會受到風(fēng)力等外界因素影響產(chǎn)生波動，因 而所得毫米波雷達探測結(jié)果需疊加無人機的實時飛行高度；為使所得圖像更具實用價值，還需疊加無人機的實時GPS信息值?，F(xiàn)有將毫米波雷達用于無人機巡檢的相關(guān)方法，見專利號為201120244169. 3的《電力線路巡查無人機用多模式毫米波雷達》，此專利取得了一定的有益效果，但亦不適用于無人機搭載進行線路走廊巡檢形成三維地圖，主要原因如下(I)天線尺寸大；由于該專利中毫米波雷達采用中距離大發(fā)射角度與長距離小發(fā)射角度結(jié)合的工作方式，天線尺寸大收到發(fā)射角度的限制，其半徑無法縮??；(2)兩種探測距離結(jié)合的方式在三維地圖繪制中不適用；在兩種探測距離結(jié)合使用時，由于其探測范圍不同，探測點間距和所得數(shù)據(jù)精確度均有差異，并不利于快速的數(shù)據(jù)計算和得到三維地圖；(3)該專利中沒有可以進行被探測物體屬性判別的模塊，因而無法計算電力交跨線的間距，而電力交跨線的間距是判別電力線路有無安全隱患的重要因素之一；(4)該專利所述無人機用多模式毫米波雷達沒有快速計算模塊，這無法滿足實時生成簡單三維地圖的要求；(5)該專利所述無人機用多模式毫米波雷達是將所采集數(shù)據(jù)輸入飛控系統(tǒng)機載控制計算機，而實時生成簡單三維地圖還需要匹配飛控系統(tǒng)機載控制計算機中的GPS數(shù)據(jù)和
高度數(shù)據(jù)信息。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的就是為解決上述問題，提供一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置，它可為有效解決問題的決策提供依據(jù)，提高工作效率和保證對輸電線路及無人機巡檢的安全的優(yōu)點。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置，它包括巡檢無人直升機，在無人直升機上設(shè)有機載毫米波雷達裝置和高清攝像機檢測設(shè)備，機載毫米波雷達裝置包括機載天線，依次連接的毫米波發(fā)射/接收模塊、A/D轉(zhuǎn)化單元、雜波處理器、信號積累器、FFT模塊和信號處理單元，A/D轉(zhuǎn)化單元將毫米波發(fā)射/接收模塊通過機載天線獲得的信號轉(zhuǎn)化后，經(jīng)過雜波處理器、信號積累器和FFT模塊處理后輸入信號處理單元，信號處理單元輸入端亦與機載飛控系統(tǒng)連接。所述毫米波發(fā)射/接收模塊包括毫米波雷達發(fā)生器和毫米波雷達接收器，與機載天線采用全雙工通信模式連接，所述機載天線為雙天線組合，所述天線口直徑小于15cm。所述雜波處理器是單片機，利用金屬與非金屬在毫米波波段反射率差別極大的特性，設(shè)置門限值，用于桿塔、線路與背景物體區(qū)別。所述信號積累器是為配合FFT模塊使用，F(xiàn)FT模塊為包含F(xiàn)FT算法(離散傅氏變換的快速算法)的DSP芯片，能夠在同時計算大量數(shù)據(jù)時有效提高運算速度，信號積累器將所采集信號積累到一定數(shù)量后，同時輸入給FFT模塊。所述信號處理單元是DSP處理器，主要采集飛控系統(tǒng)機載控制計算機中衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和氣壓高度數(shù)據(jù)，并將其與FFT模塊輸出數(shù)據(jù)即相對角度和相對距離結(jié)合，生成線路走廊的簡單三維地圖。所述機載飛控系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機載控制計算機，它分別與數(shù)字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計、轉(zhuǎn)速測量傳感器、PCM遙控接收機、舵機控制器連接。所述機載毫米波雷達裝置整體設(shè)在巡檢無人機機體正下方，其中機載天線對稱安裝且保持探測角度為以垂直方向為軸左右對稱。一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊方法，步驟一設(shè)定無人機飛行路線，無人機巡檢線路走廊時，在線路上方或沿平行于線路的斜上方飛行，飛行高度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境選擇高于塔體10-70m ；步驟二 安裝機載毫米波雷達裝置并進行巡檢，得到信號處理單元中的線路走廊簡單地圖(包含線路走廊地形GPS值、具體高度信息及物體基本屬性)和高清攝像機中巡檢視頻；步驟三在地面圖形工作站中進行高清圖像與線路走廊簡單地圖的拼接、匹配和組合，最終得到線路走廊三維地形圖，三維地形圖包含線路走廊具體物體屬性、形狀、色彩、GPS值、高度的信息，進而清楚掌握目前線路走廊的具體情況和有無安全隱患問題。所述步驟二的具體步驟為毫米波雷達發(fā)生器通過機載天線發(fā)出毫米波探測信號；經(jīng)探測范圍內(nèi)的地面物體或空間線路、桿塔等反射后，再次通過機載天線將采集的信號傳送到毫米波雷達接收器；然后進行A/D轉(zhuǎn)換，此時所采集的信號包含相對于機載天線的方位角和距離值；該信號輸入雜波處理器后，根據(jù)不同探測點反射率的差異，將桿塔、線路等金屬屬性的物體和地面中非金屬屬性的物體區(qū)分開，此時所采集的信號包含物體基本屬性(金屬/非金屬)、相對于機載天線的方位角和距離值；進而將信號輸入信號積累器，當信號積累器獲得離散數(shù)據(jù)的個數(shù)達到一定限值時，一般可限定1024個離散數(shù)據(jù)為此限值，記為一組，將此組數(shù)據(jù)整體輸入FFT模塊，由FFT算法處理后，數(shù)據(jù)進入信號處理單元；信號處理單元采集飛控系統(tǒng)機載控制計算機中衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)(即無人機GPS值)和氣壓高度數(shù)據(jù)(由于雜波處理器、信號積累器、FFT模塊對信號的處理速度在納秒級別，且無人直升機巡檢速度較慢，中小型無人直升機多為3-5m/s，可忽略由于處理時間的延誤造成采集的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和氣壓高度數(shù)據(jù)的誤差)，將這兩類數(shù)據(jù)與FFT模塊處理后的數(shù)據(jù)融合，處理得到各個探測點的具體GPS值與高度，將具有重合點的兩線狀金屬物即電力交跨線間距算出，得到線路走廊的簡單三維地圖，僅有基本輪廓且無色彩。線路走廊的簡單三維地圖已可用于現(xiàn)場使用，如為了更直觀清晰的得知目前線路走廊的具體情況和有無安全隱患，則可在地面圖形工作站中進行高清圖像與線路走廊簡單地圖的拼接、匹配和組合，最終得到線路走廊三維地形圖即包含線路走廊具體物體屬性、形狀、色彩、GPS值、高度等信息的線路走廊三維地形圖。本實用新型的有益效果I)本實用新型設(shè)計了一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊方法與裝置，利用該系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)了線路走廊地形的探測、桿塔和導(dǎo)線高度及交跨線之間間距的測量，并完成繪制三維地圖，對輸電線路及無人機巡檢的安全性具有很大的實際意義。2)上述基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置，是根據(jù)無人機巡檢的特殊性選擇毫米波段探測雷達設(shè)計，既能夠克服激光測距、視覺測距和紅外測距的準確性受環(huán)境影響大的問題，又能夠避免超聲波測距探測距離短和紅外測距方向性差的弊端。3)上述基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置中，采用雙較小型天線(天線口直徑小于15cm)組合替代較大型天線(天線口直徑大于25cm)，保證了毫米波發(fā)射角度， 即獲得數(shù)據(jù)范圍的不變，同時能夠滿足無人機空間對機載天線安裝尺寸的要求。[0033]4)上述基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置中，利用雜波處理器將探測物 屬性進行區(qū)分，主要可分辨無人機巡檢線路走廊時導(dǎo)線、塔(金屬)與背景(非金屬)，用于計 算交跨線間距。[0034]5)上述基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置中，利用信號積累器和FFT模 塊，采用FFT算法，有效提高數(shù)據(jù)處理速度。[0035]6)上述基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置中，為使所得圖像更清晰明了 便于實用，利用信號處理單元采集飛控系統(tǒng)機載控制計算機中衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和氣壓高度數(shù) 據(jù)，得到三維地圖中可明確各個探測點的具體GPS值與高度，并將電力交跨線間距算出。


[0036]圖I為基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流程圖；[0037]圖2為雙天線發(fā)射角度示意圖；[0038]圖3為方法流程圖。[0039]其中，I.機載天線，2.毫米波發(fā)射/接收模塊，3. A/D轉(zhuǎn)化單元，4.雜波處理器， 5.信號積累器，6. FFT模塊，7.信號處理單元，8.數(shù)字羅盤，9.三軸陀螺儀，10.三軸加速度 計，11.衛(wèi)星定位模塊，12.氣壓高度計，13.轉(zhuǎn)速測量傳感器，14. PCM遙控接收機，15.舵機 控制器，16.飛控系統(tǒng)機載控制計算機，17.機載毫米波雷達裝置。
具體實施方式
[0040]
以下結(jié)合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。[0041]圖I中，一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊方法與裝置，它包括巡檢無 人直升機，在無人直升機上設(shè)有機載毫米波雷達裝置17和高清攝像機檢測設(shè)備，該裝置包 括機載天線1，依次連接的毫米波發(fā)射/接收模塊2、A/D轉(zhuǎn)化單元3、雜波處理器4、信號積 累器5、FFT模塊6和信號處理單元7，A/D轉(zhuǎn)化單元3將毫米波發(fā)射/接收模塊2通過機載 天線I獲得的信號轉(zhuǎn)化后，經(jīng)過雜波處理器4、信號積累器5和FFT模塊6處理后輸入信號 處理單元7，信號處理單元7輸入端亦與機載飛控系統(tǒng)連接。[0042]所述毫米波發(fā)射/接收模塊2包括毫米波雷達發(fā)生器和毫米波雷達接收器，與機 載天線I采用全雙工通信模式連接，所述機載天線I為雙天線組合，所述天線口直徑小于 15cm0[0043]所述雜波處理器4為單片機，利用金屬與非金屬在毫米波波段反射率差別極大的 特性，設(shè)置門限值，用于將桿塔、線路與背景物體區(qū)別。[0044]所述信號積累器5是為配合FFT模塊6使用，F(xiàn)FT模塊6為包含F(xiàn)FT算法的DSP芯 片，能夠在同時計算大量數(shù)據(jù)時有效提高運算速度，信號積累器5將所采集信號積累到一 定數(shù)量后，同時輸入給FFT模塊6。[0045]所述機載飛控系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機載控制計算機16，它分別與數(shù)字羅盤8、三軸 陀螺儀9、三軸加速度計10、衛(wèi)星定位模塊11、氣壓高度計12、轉(zhuǎn)速測量傳感器13、PCM遙控 接收機14、舵機控制器15連接。[0046]所述信號處理單元7是DSP處理器，主要采集飛控系統(tǒng)機載控制計算機16中無人機衛(wèi)星定位模塊11中衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和無人機氣壓高度計12中氣壓高度數(shù)據(jù)，并將其與FFT模塊6輸出數(shù)據(jù)結(jié)合，生成線路走廊的簡單三維地圖。如圖2，所述機載毫米波雷達裝置17整體要處在巡檢無人機機體正下方，其中機載天線I應(yīng)對稱安裝且保持探測角度為以垂直方向為軸左右對稱，角I和角2分別為兩機載天線的探測角度。如圖3，介紹了本實用新型避障方法的流程，其具體步驟為步驟一設(shè)定無人機飛行路線；無人機巡檢線路走廊時，應(yīng)在線路上方或沿平行于線路的斜上方飛行，飛行高度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境選擇高于塔體10-70m ；步驟二 安裝機載毫米波雷達裝置17并進行巡檢，得到信號處理單元7中的線路走廊簡單地圖和高清攝像機中巡檢視頻；線路簡單地圖包含線路走廊地形GPS值、具體高度信息及物體基本屬性。步驟三在地面圖形工作站中進行高清圖像與線路走廊簡單地圖的拼接、匹配和組合，最終得到線路走廊三維地形圖，即包含線路走廊具體物體屬性、形狀、色彩、GPS值、高度等信息的線路走廊三維地形圖，根據(jù)線路走廊三維地形圖清楚掌握目前線路走廊的具體情況和有無安全隱患。上述步驟二中，毫米波發(fā)射/接收模塊2中的毫米波雷達發(fā)生器通過機載天線I將毫米波探測信號發(fā)出；由探測范圍內(nèi)地面物體或空間線路、桿塔等反射后，再次通過機載天線I將采集信號傳送到毫米波發(fā)射/接收模塊2中毫米波雷達接收器；然后進入A/D轉(zhuǎn)換單元3，此時所采集的信號包含相對于機載天線I的方位角和距離值；該信號輸入雜波處理器4后，根據(jù)不同探測點反射率的差異，將桿塔、線路等金屬屬性的物體與地面中非金屬屬性的物體區(qū)分，此時所采集的信號包含物體基本屬性(金屬/非金屬)、相對于機載天線I的方位角和距離值；進而將信號輸入信號積累器5，當信號積累器5獲得離散數(shù)據(jù)的個數(shù)達到一定限值(一般可限定1024個離散數(shù)據(jù)為此限值，記為一組)時，將此組數(shù)據(jù)整體輸入FFT模塊6，由FFT算法處理后，數(shù)據(jù)進入信號處理單元7 ;信號處理單元7采集飛控系統(tǒng)機載控制計算機16中衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和氣壓高度數(shù)據(jù)(由于4雜波處理器、5信號積累器、6FFT模塊對信號的處理速度在納秒級別，且無人直升機巡檢速度較慢，中小型無人直升機多為3-5m/s，可忽略由于處理時間的延誤造成采集的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和氣壓高度數(shù)據(jù)的誤差)，并將這兩類數(shù)據(jù)與FFT模塊6處理后的數(shù)據(jù)融合，處理得到各個探測點的具體GPS值與高度，并將具有重合點的兩線狀金屬物即電力交跨線間距算出，得到線路走廊的簡單三維地圖，簡單三維地圖僅有基本輪廓且無色彩，線路走廊的簡單三維地圖可用于現(xiàn)場使用。上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式
進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置，它包括巡檢無人直升機，在無人直升機上設(shè)有機載毫米波雷達裝置和高清攝像機檢測設(shè)備，其特征是，機載毫米波雷達裝置包括機載天線，所述機載天線為所述機載天線為雙天線組合，所述天線口直徑小于15cm ；依次連接的毫米波發(fā)射/接收模塊、A/D轉(zhuǎn)化單元、雜波處理器、信號積累器和信號處理單元，信號處理單元輸入端與機載飛控系統(tǒng)連接；所述機載毫米波雷達裝置整體設(shè)在巡檢無人機機體正下方，其中機載天線對稱安裝且保持探測角度為以垂直方向為軸左右對稱。
2.如權(quán)利要求I所述一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置，其特征是，所述毫米波發(fā)射/接收模塊包括毫米波雷達發(fā)生器和毫米波雷達接收器，與機載天線采用全雙工通信模式連接。
3.如權(quán)利要求I所述一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置，其特征是，所述雜波處理器為單片機，利用金屬與非金屬在毫米波波段反射率差別極大的特性，設(shè)置門限值，用于將桿塔、線路與背景物體區(qū)別。
4.如權(quán)利要求I所述一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置，其特征是，所述信號積累器為DSP芯片。
5.如權(quán)利要求I所述一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置，其特征是，所述信號處理單元是DSP處理器，主要采集機載飛控系統(tǒng)中衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和氣壓高度數(shù)據(jù)，并將其與FFT模塊輸出數(shù)據(jù)即相對角度和相對距離結(jié)合，生成線路走廊的簡單三維地圖。
6.如權(quán)利要求I或5所述一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置，其特征是，所述機載飛控系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機載控制計算機，它分別與數(shù)字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計、轉(zhuǎn)速測量傳感器、PCM遙控接收機、舵機控制器連接。
專利摘要本實用新型公開了一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊裝置，它包括巡檢無人直升機，在無人直升機上設(shè)有機載毫米波雷達裝置和高清攝像機檢測設(shè)備，機載毫米波雷達裝置包括機載天線，依次連接的毫米波發(fā)射/接收模塊、A/D轉(zhuǎn)化單元、雜波處理器、信號積累器、FFT模塊和信號處理單元，信號處理單元輸入端亦與機載飛控系統(tǒng)連接；并且公開了一種利用這種裝置所實現(xiàn)的一種基于毫米波雷達的無人機巡檢線路走廊方法。利用該裝置和方法，作為一種監(jiān)測手段，及時了解和掌握線路運行環(huán)境是否有危及線路安全運行的隱患，為有效決策提供依據(jù)；避免傳統(tǒng)的人工利用經(jīng)緯儀測量的方法，提高工作效率，對輸電線路及無人機巡檢的安全性具有很大的實際意義。
文檔編號H02G1/02GK202817605SQ20122052999
公開日2013年3月20日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者王濱海, 鄭天茹, 陳西廣, 劉良, 王騫 申請人:山東電力集團公司電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司