解决雷达技术难点强化无人机避障功能

解决雷达技术难点强化无人机避障功能

廖志勇

（国电南瑞科技股份有限公司深圳分公司518054）

摘要：随着无人机技术的快速发展，无人机应用领域愈来愈广泛，比如在线路巡视、空中侦察、货物运输等方面都取得了较好的成效。但与此同时，无人机使用过程中也存在一些问题。本文的研究旨在解决雷达技术难点，强化无人机避障功能。

关键词：无人机；雷达；障碍

我国的无人机技术近年来发展迅速，特别是民用无人机已经在多个领域中广泛应用，完成了许多以前无法进行的工作，发挥出巨大作用。近年来，随着技术的进步与成熟，无人机开始在民用市场崭露头角，在许多领域中被广泛应用。目前，电力能源巡检领域对于无人机已经表现出较为迫切的需求趋势，且具备较为可观的市场规模前景。现在，民用无人机技术的研发进入到快速发展阶段，种类逐渐丰富，包括固定翼无人机、旋翼无人机、飞艇无人机等。而技术的提升，让无人机已经不是那么“高大上”的稀罕物品，随着价格的下降，无人机的应用领域将会愈来愈广泛。本文对无人机在线路巡视工作中的避障功能进行了研究。

1无人机技术发展现状

随着科学技术的不断发展升级，对于当今社会而言无人机技术已经不再是陌生的概念和物体，这种技术已经在生产生活中很多领域得到应用，相较于传统的人工巡检，使用无人机进行巡检不仅效率高，而且更加安全。无人机系统不但结合了输电、电力、遥感、通信、GIS、信息处理等多种技术，同时还涉及到了多个高精尖技术领域，例如飞行控制技术、数据链通讯技术、导航技术、遥测遥感技术、故障诊断等，目前使用的无人机可以实现超远距离、高空快速、自动作业的功能，可以开展多个领域的工作。

然而，在无人机使用过程中，空中障碍是影响无人机使用的重要因素。比如，以多旋翼无人机在线路巡检起飞之前首先要确认无人机的各项数据以及功能都正常运行，例如无人机遥控器的电量是否正常，进行飞前图传以及拍照功能测试、校对指南针等；以220KV的线路巡检为例，多旋翼无人机220KV线路巡检可持续航行时间为30min，最大的起飞海拔高度为5200m，相对飞行高度为500m，巡检过程飞行最大速度可达到50km/h，如果需要搭载变焦相机等其他设备则最大荷载为5kg，最大的起飞重量10kg，最大飞行风力6级，起飞和降落都要垂直完成，无人机和带电体之间的安全距离要超出10m，无人机巡检过程要平稳的飞行，在跨越线路或者杆塔的时候要从地线上方经过，严禁在相间导线间穿行；再者无人机在距离带电设备10m左右的时候需要通过微调来靠近设备，微调靠近的过程中要时刻的关注是否出现图传延时问题，严禁过快速度靠近带电设备；无人机起飞时使用温度、湿度测量设备进行测量，要求外部环境相对湿度在95%以下，精细查询和故障点查询都要求在无人机作业点在视距范围内，对于220KV输电线路使用多旋翼无人机进行巡检主要是通过录像和拍照的方式进行，巡检对象时杆塔本体和附属设备关键部位，在最小安全距离10m的状况下就可以对各个巡检位置进行可见光拍摄。然而，无人机对当前空中障碍的判定并不是非常精准，一旦碰撞到障碍，这会遭受非常大的损失。

2无人机运行中常见的避障技术

2.1无人机避障技术类型

随着无人机应用的普及，其使用的安全性也成为消费者最为关注的问题之一，目前我国的无人机定高与避障技术主要有下面一些类型：目前市场上使用的定高与避障系统主要采用超声波声纳技术、TOF技术，以及视觉图像复合型技术。随着无人机的应用范围不断扩大，在使用过程中经常会遇到复杂、多变的地理环境，因此避障系统对无人机来说是一项非常重要的技术。无人机飞行器在自动飞行过程中经常遇到障碍物，此时定高与避障系统可以自动提前感知、识别，有效规避障碍物，实现安全飞行的效果。

2.2无人机避障技术优点和不足

超声波声纳技术主要是通过无人机发出超声波，当超声波遇到障碍时就会反射回发射系统，然后避障系统依此来辨别障碍、规划路线。这种技术由于成本低，操作方便，目前很多无人机额的避障技术都来源于它。但由于超声波避障依赖于物体表面的发射能力，当遭遇反射能力不足的物体时，避障系统的安全性就会极大降低。TOF技术类似于超声波技术，不过是将超声波换成了光。当无人机悬空时，TOF系统会保持每秒钟旋转2-5圈的状态，此时该系统可以快速扫描周围360°的有效半径，及时发现障碍，然后对飞控系统发出调整位置的指令，避免对周围的人或财物造成伤害。TOF技术需要利用光来发挥作用，而在作业过程中，太阳光、反射光等经常出现，多种光的存在极大的影响了该系统的使用效果，造成系统接受到错误信息，限制了无人机避障范围，影响可靠性。视觉图像复合型技术通过高清摄像机拍摄帧速足够高、清晰、分辨率高的图像，借助一颗足够小而性能强大的处理器，分析每一帧图像中是否存在障碍物。但在弱光或者黑夜条件下，这种通过图像识别障碍物的能力就会大幅度下降。

2.3运用雷达强化无人机避障技术

相对于超声波声纳技术、TOF技术，以及视觉图像复合型技术，雷达的可靠性、准确度以及感知距离方面都具较大的优势，而且雷达受环境影响较小，在无人机执行高空、高速、中远程任务时将会发挥巨大作用。但将雷达应用于无人机上，其技术研发难度也比较大，在射频设计方法和制造流程、优化内部的天线结构、发射效率和带宽处理方面都需要极高的技术要求。将毫米雷达波技术应用于无人机避障工作中，具有测量精度高、灵敏度高、易于集成、性能稳定等优点，可应用在小型无人机上，避免了以往雷达系统因体型较大，应用受限局面的出现。毫米波无人机避障雷达系统构成示意图如下图1所示：

图1毫米波无人机雷达避障系统构成示意图

毫米波应用与无人机避障测试的相关结果也表明毫米波雷达能够在无人机巡线中有效地实现对毫米级电缆的探测与规避，与此同时，也能够较好的适应即在电磁环境、振动环境以及冲击环境，具有良好的应用价值。测试中无人机飞控系统与避障系统通信框图如下图2所示：

图2飞控系统与避障系统的通信框图

2.4雷达避障技术应用情况分析

无人机用毫米波雷达技术目前已经应用在电力巡线工作中。在低空线路巡视工作中，无人机工作环境较差，比如树木、灰尘、水雾等都会对传统的机遇超声和光学的障碍探测技术进行干扰。将毫米雷达波技术应用于无人机线路巡视中，采用1台雷达高度计与2台避障雷达相结合的设计方案，建立起完美的感知系统，使无人机在作业时具有很强的稳定性、能穿透尘埃水雾，不受环境干扰，使得线路巡视的安全性和精准性大大提升。

3结语

近年来，随着相关技术的发展，无人机已经在电力线路巡视领域得到了较为广泛的运用。无人机巡线，不但能够提升线路巡视的速度，同时还能够减少人员的需求，增加了相关工作人员的安全系数。针对无人机电力线巡线系统在超低空飞行时的安全问题，研制了毫米波无人直升机避障雷达系统。该系统采用毫米波宽带线性调频技术实现了对高压线小目标的探测，并把数据传给飞控系统，使无人机的安全问题得到了保障。挂飞试验表明，该方法可靠有效，对后续的研究和装备具有很好的参考价值。毫米雷达波技术的应用能够进一步提升无人机在线路巡视工作中的避障能力，提升其可靠性和安全性对于电力企业来讲具有重要意义。

参考文献：

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[2]侯卫国.基于FPGA的无人机载毫米波宽带避障雷达关键技术研究[D].南京理工大学，2017.

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