CN102891453A - 一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊方法与装置，它包括巡检无人直升机，在无人直升机上设有机载毫米波雷达装置和高清摄像机检测设备，机载毫米波雷达装置包括机载天线，依次连接的毫米波发射/接收模块、A/D转化单元、杂波处理器、信号积累器、FFT模块和信号处理单元，信号处理单元输入端亦与机载飞控***连接；并且公开了一种利用这种装置所实现的一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊方法。利用该装置和方法，作为一种监测手段，及时了解和掌握线路运行环境是否有危及线路安全运行的隐患，为有效决策提供依据；避免传统的人工利用经纬仪测量的方法，提高工作效率，对输电线路及无人机巡检的安全性具有很大的实际意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机巡检线路走廊方法与装置，尤其涉及一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊方法与装置。
背景技术
近年来，我国国民经济的持续快速发展对我国电力工业提出了越来越高的要求。为了安全和可靠地供电，巡检线路维护自动化和现代化已日益显示出其迫切性。采用无人机空中作业对线路走廊及杆塔等进行巡查，能够克服利用有人驾驶的直升机进行巡检线路的维护费用昂贵、安全问题突出等弊端，但由于我国国土辽阔，地形、气象复杂，输电线路所处地形与环境也多种多样，设计一种能够实现线路走廊的三维地图绘制方法与装置，可以及时了解和掌握线路运行环境是否有危及线路安全运行的隐患，对输电线路安全性及无人机巡检高效性具有很大的实际意义。
实现方法有可用于三维地图绘制的方法，主要有激光测距法、超声波测距法、红外测距法、视觉测距法和微波雷达测距法，其中激光测距法、超声波测距法、红外测距法和视觉测距法已有多项专利论文描述，也取得了相应的有益效果，但将其用于无人机巡检线路走廊并实现线路走廊的三维地图绘制并不适用：激光测距法和视觉测距法的准确性受环境影响较大，有雾或湿度特别大的情况下测量数据不准确，限制了无人机对线路走廊的巡检条件；超声波测距法只适用于较短距离（4-5米），无法应用于无人机对线路走廊的巡检；红外测距法方向性差，且受环境影响大，粉尘、悬浮颗粒的存在均能对其造成干扰，不适用于无人机巡检线路走廊。微波雷达探测距离远、精度高，测量性能受天气等外界因素的影响较小，且可获得无人机与目标物体之间的距离和相对方位角，适用于无人机对线路走廊的巡检。为了尽量降低微波雷达与无人机搭载的其他电子设备间大的电磁干扰，选用毫米波段发射雷达（无人机搭载的其他电子设备工作频率无毫米波段）。
现有利用毫米波雷达进行成像的技术主要是用于移动车辆的避障，如专利号为200980144638的《移动毫米波成像雷达***》，此类专利取得了一定的有益效果，但不能用于无人机搭载进行线路走廊巡检，主要因为其缺点如下：
（1）天线尺寸大；天线尺寸大对应毫米波发射角度大，获得数据范围广，但无人机体积有限，且安装空间需要根据无人机空间和配重决定。
（2）探测物属性判别；移动车辆避障仅需根据图像判断有无物体，不许判别物体属性，但无人机巡检线路走廊需分辨导线、塔（金属）与背景（非金属），需增加判别物体属性。
（3）算法选择；移动车辆避障仅需毫米波识别远距离体积大的物体和近距离小物体，但无人机巡检线路走廊时，需要识别线径小（直径约11mm地线）导线的相对距离，数据计算量大，需使用快速算法。
（4）信息叠加；移动车辆避障仅需得到相对的大概位置和距离，无人机巡检线路走廊时，由于无人机实际进行巡检任务时，飞行高度会受到风力等外界因素影响产生波动，因而所得毫米波雷达探测结果需叠加无人机的实时飞行高度；为使所得图像更具实用价值，还需叠加无人机的实时GPS信息值。
现有将毫米波雷达用于无人机巡检的相关方法，见专利号为201120244169.3的《电力线路巡查无人机用多模式毫米波雷达》，此专利取得了一定的有益效果，但亦不适用于无人机搭载进行线路走廊巡检形成三维地图，主要原因如下：
（1）天线尺寸大；由于该专利中毫米波雷达采用中距离大发射角度与长距离小发射角度结合的工作方式，天线尺寸大收到发射角度的限制，其半径无法缩小；
（2）两种探测距离结合的方式在三维地图绘制中不适用；在两种探测距离结合使用时，由于其探测范围不同，探测点间距和所得数据精确度均有差异，并不利于快速的数据计算和得到三维地图；
（3）该专利中没有可以进行被探测物体属性判别的模块，因而无法计算电力交跨线的间距，而电力交跨线的间距是判别电力线路有无安全隐患的重要因素之一；
（4）该专利所述无人机用多模式毫米波雷达没有快速计算模块，这无法满足实时生成简单三维地图的要求；
（5）该专利所述无人机用多模式毫米波雷达是将所采集数据输入飞控***机载控制计算机，而实时生成简单三维地图还需要匹配飞控***机载控制计算机中的GPS数据和高度数据信息。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊方法与装置，它可为有效解决问题的决策提供依据，提高工作效率和保证对输电线路及无人机巡检的安全的优点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置，它包括巡检无人直升机，在无人直升机上设有机载毫米波雷达装置和高清摄像机检测设备，机载毫米波雷达装置包括机载天线，依次连接的毫米波发射/接收模块、A/D转化单元、杂波处理器、信号积累器、FFT模块和信号处理单元，A/D转化单元将毫米波发射/接收模块通过机载天线获得的信号转化后，经过杂波处理器、信号积累器和FFT模块处理后输入信号处理单元，信号处理单元输入端亦与机载飞控***连接。
所述毫米波发射/接收模块包括毫米波雷达发生器和毫米波雷达接收器，与机载天线采用全双工通信模式连接，所述机载天线为双天线组合，所述天线口直径小于15cm。
所述杂波处理器是单片机，利用金属与非金属在毫米波波段反射率差别极大的特性，设置门限值，用于杆塔、线路与背景物体区别。
所述信号积累器是为配合FFT模块使用，FFT模块为包含FFT算法（离散傅氏变换的快速算法）的DSP芯片，能够在同时计算大量数据时有效提高运算速度，信号积累器将所采集信号积累到一定数量后，同时输入给FFT模块。
所述信号处理单元是DSP处理器，主要采集飞控***机载控制计算机中卫星定位数据和气压高度数据，并将其与FFT模块输出数据即相对角度和相对距离结合，生成线路走廊的简单三维地图。
所述机载飞控***包括飞控***机载控制计算机，它分别与数字罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度计、卫星定位模块、气压高度计、转速测量传感器、PCM遥控接收机、舵机控制器连接。
所述机载毫米波雷达装置整体设在巡检无人机机体正下方，其中机载天线对称安装且保持探测角度为以垂直方向为轴左右对称。
一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊方法，
步骤一：设定无人机飞行路线，无人机巡检线路走廊时，在线路上方或沿平行于线路的斜上方飞行，飞行高度应根据现场实际环境选择高于塔体10-70m；
步骤二：安装机载毫米波雷达装置并进行巡检，得到信号处理单元中的线路走廊简单地图（包含线路走廊地形GPS值、具体高度信息及物体基本属性）和高清摄像机中巡检视频；
步骤三：在地面图形工作站中进行高清图像与线路走廊简单地图的拼接、匹配和组合，最终得到线路走廊三维地形图，三维地形图包含线路走廊具体物体属性、形状、色彩、GPS值、高度的信息，进而清楚掌握目前线路走廊的具体情况和有无安全隐患问题。
所述步骤二的具体步骤为：毫米波雷达发生器通过机载天线发出毫米波探测信号；经探测范围内的地面物体或空间线路、杆塔等反射后，再次通过机载天线将采集的信号传送到毫米波雷达接收器；然后进行A/D转换，此时所采集的信号包含相对于机载天线的方位角和距离值；该信号输入杂波处理器后，根据不同探测点反射率的差异，将杆塔、线路等金属属性的物体和地面中非金属属性的物体区分开，此时所采集的信号包含物体基本属性（金属/非金属）、相对于机载天线的方位角和距离值；进而将信号输入信号积累器，当信号积累器获得离散数据的个数达到一定限值时，一般可限定1024个离散数据为此限值，记为一组，将此组数据整体输入FFT模块，由FFT算法处理后，数据进入信号处理单元；信号处理单元采集飞控***机载控制计算机中卫星定位数据（即无人机GPS值）和气压高度数据（由于杂波处理器、信号积累器、FFT模块对信号的处理速度在纳秒级别，且无人直升机巡检速度较慢，中小型无人直升机多为3-5m/s，可忽略由于处理时间的延误造成采集的卫星定位数据和气压高度数据的误差），将这两类数据与FFT模块处理后的数据融合，处理得到各个探测点的具体GPS值与高度，将具有重合点的两线状金属物即电力交跨线间距算出，得到线路走廊的简单三维地图，仅有基本轮廓且无色彩。线路走廊的简单三维地图已可用于现场使用，如为了更直观清晰的得知目前线路走廊的具体情况和有无安全隐患，则可在地面图形工作站中进行高清图像与线路走廊简单地图的拼接、匹配和组合，最终得到线路走廊三维地形图即包含线路走廊具体物体属性、形状、色彩、GPS值、高度等信息的线路走廊三维地形图。
本发明的有益效果：
1)本发明设计了一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊方法与装置，利用该***，能够实现了线路走廊地形的探测、杆塔和导线高度及交跨线之间间距的测量，并完成绘制三维地图,对输电线路及无人机巡检的安全性具有很大的实际意义。
2)上述基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置，是根据无人机巡检的特殊性选择毫米波段探测雷达设计，既能够克服激光测距、视觉测距和红外测距的准确性受环境影响大的问题，又能够避免超声波测距探测距离短和红外测距方向性差的弊端。
3)上述基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置中，采用双较小型天线（天线口直径小于15cm）组合替代较大型天线（天线口直径大于25cm），保证了毫米波发射角度，即获得数据范围的不变，同时能够满足无人机空间对机载天线安装尺寸的要求。
4）上述基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置中，利用杂波处理器将探测物属性进行区分，主要可分辨无人机巡检线路走廊时导线、塔（金属）与背景（非金属），用于计算交跨线间距。
5）上述基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置中，利用信号积累器和FFT模块，采用FFT算法，有效提高数据处理速度。
6）上述基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置中，为使所得图像更清晰明了便于实用，利用信号处理单元采集飞控***机载控制计算机中卫星定位数据和气压高度数据，得到三维地图中可明确各个探测点的具体GPS值与高度，并将电力交跨线间距算出。
附图说明
图1为基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置的结构及数据流程图；
图2为双天线发射角度示意图；
图3为方法流程图。
其中，1.机载天线，2.毫米波发射/接收模块，3.A/D转化单元，4.杂波处理器，5.信号积累器，6.FFT模块，7.信号处理单元，8.数字罗盘，9.三轴陀螺仪，10.三轴加速度计，11.卫星定位模块，12.气压高度计，13.转速测量传感器，14.PCM遥控接收机，15.舵机控制器，16.飞控***机载控制计算机，17.机载毫米波雷达装置。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
图1中，一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊方法与装置，它包括巡检无人直升机，在无人直升机上设有机载毫米波雷达装置17和高清摄像机检测设备，该装置包括机载天线1，依次连接的毫米波发射/接收模块2、A/D转化单元3、杂波处理器4、信号积累器5、FFT模块6和信号处理单元7，A/D转化单元3将毫米波发射/接收模块2通过机载天线1获得的信号转化后，经过杂波处理器4、信号积累器5和FFT模块6处理后输入信号处理单元7，信号处理单元7输入端亦与机载飞控***连接。
所述毫米波发射/接收模块2包括毫米波雷达发生器和毫米波雷达接收器，与机载天线1采用全双工通信模式连接，所述机载天线1为双天线组合，所述天线口直径小于15cm。
所述杂波处理器4为单片机，利用金属与非金属在毫米波波段反射率差别极大的特性，设置门限值，用于将杆塔、线路与背景物体区别。
所述信号积累器5是为配合FFT模块6使用，FFT模块6为包含FFT算法的DSP芯片，能够在同时计算大量数据时有效提高运算速度，信号积累器5将所采集信号积累到一定数量后，同时输入给FFT模块6。
所述机载飞控***包括飞控***机载控制计算机16，它分别与数字罗盘8、三轴陀螺仪9、三轴加速度计10、卫星定位模块11、气压高度计12、转速测量传感器13、PCM遥控接收机14、舵机控制器15连接。
所述信号处理单元7是DSP处理器，主要采集飞控***机载控制计算机16中无人机卫星定位模块11中卫星定位数据和无人机气压高度计12中气压高度数据，并将其与FFT模块6输出数据结合，生成线路走廊的简单三维地图。
如图2，所述机载毫米波雷达装置17整体要处在巡检无人机机体正下方，其中机载天线1应对称安装且保持探测角度为以垂直方向为轴左右对称，角1和角2分别为两机载天线的探测角度。
如图3，介绍了本发明避障方法的流程，其具体步骤为：
步骤一：设定无人机飞行路线；无人机巡检线路走廊时，应在线路上方或沿平行于线路的斜上方飞行，飞行高度应根据现场实际环境选择高于塔体10-70m；
步骤二：安装机载毫米波雷达装置17并进行巡检，得到信号处理单元7中的线路走廊简单地图和高清摄像机中巡检视频；线路简单地图包含线路走廊地形GPS值、具体高度信息及物体基本属性。
步骤三：在地面图形工作站中进行高清图像与线路走廊简单地图的拼接、匹配和组合，最终得到线路走廊三维地形图，即包含线路走廊具体物体属性、形状、色彩、GPS值、高度等信息的线路走廊三维地形图，根据线路走廊三维地形图清楚掌握目前线路走廊的具体情况和有无安全隐患。
上述步骤二中，毫米波发射/接收模块2中的毫米波雷达发生器通过机载天线1将毫米波探测信号发出；由探测范围内地面物体或空间线路、杆塔等反射后，再次通过机载天线1将采集信号传送到毫米波发射/接收模块2中毫米波雷达接收器；然后进入A/D转换单元3，此时所采集的信号包含相对于机载天线1的方位角和距离值；该信号输入杂波处理器4后，根据不同探测点反射率的差异，将杆塔、线路等金属属性的物体与地面中非金属属性的物体区分，此时所采集的信号包含物体基本属性（金属/非金属）、相对于机载天线1的方位角和距离值；进而将信号输入信号积累器5，当信号积累器5获得离散数据的个数达到一定限值（一般可限定1024个离散数据为此限值，记为一组）时，将此组数据整体输入FFT模块6，由FFT算法处理后，数据进入信号处理单元7；信号处理单元7采集飞控***机载控制计算机16中卫星定位数据和气压高度数据（由于4杂波处理器、5信号积累器、6FFT模块对信号的处理速度在纳秒级别，且无人直升机巡检速度较慢，中小型无人直升机多为3-5m/s，可忽略由于处理时间的延误造成采集的卫星定位数据和气压高度数据的误差），并将这两类数据与FFT模块6处理后的数据融合，处理得到各个探测点的具体GPS值与高度，并将具有重合点的两线状金属物即电力交跨线间距算出，得到线路走廊的简单三维地图，简单三维地图仅有基本轮廓且无色彩，线路走廊的简单三维地图可用于现场使用。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置，它包括巡检无人直升机，在无人直升机上设有机载毫米波雷达装置和高清摄像机检测设备，其特征是，机载毫米波雷达装置包括机载天线，所述机载天线为所述机载天线为双天线组合，所述天线口直径小于15cm；依次连接的毫米波发射/接收模块、A/D转化单元、杂波处理器、信号积累器和信号处理单元，信号处理单元输入端与机载飞控***连接；所述机载毫米波雷达装置整体设在巡检无人机机体正下方，其中机载天线对称安装且保持探测角度为以垂直方向为轴左右对称。
2.如权利要求1所述一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置，其特征是，所述毫米波发射/接收模块包括毫米波雷达发生器和毫米波雷达接收器，与机载天线采用全双工通信模式连接。
3.如权利要求1所述一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置，其特征是，所述杂波处理器为单片机，利用金属与非金属在毫米波波段反射率差别极大的特性，设置门限值，用于将杆塔、线路与背景物体区别。
4.如权利要求1所述一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置，其特征是，所述信号积累器为DSP芯片。
5.如权利要求1所述一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置，其特征是，所述信号处理单元是DSP处理器，主要采集机载飞控***中卫星定位数据和气压高度数据，并将其与FFT模块输出数据即相对角度和相对距离结合，生成线路走廊的简单三维地图。
6.如权利要求1或5所述一种基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置，其特征是，所述机载飞控***包括飞控***机载控制计算机，它分别与数字罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度计、卫星定位模块、气压高度计、转速测量传感器、PCM遥控接收机、舵机控制器连接。
7.利用权利要求1所述基于毫米波雷达的无人机巡检线路走廊装置的巡检方法，其特征是，
步骤一：设定无人机飞行路线，无人机巡检线路走廊时，在线路上方或沿平行于线路的斜上方飞行，飞行高度应根据现场实际环境选择高于塔体10-70m；
步骤二：安装机载毫米波雷达装置并进行巡检，得到信号处理单元中的线路走廊简单地图和高清摄像机中巡检视频；
步骤三：在地面图形工作站中进行高清图像与线路走廊简单地图的拼接、匹配和组合，最终得到线路走廊三维地形图，三维地形图包含线路走廊具体物体属性、形状、色彩、GPS值、高度的信息，进而清楚掌握目前线路走廊的具体情况和有无安全隐患问题。
8.如权利要求7所述的巡检方法，其特征是，所述步骤二具体步骤为：毫米波雷达发生器通过机载天线发出毫米波探测信号；经探测范围内的地面物体或空间线路、杆塔反射后，再次通过机载天线将采集的信号传送到毫米波雷达接收器；然后进行A/D转换，此时所采集的信号包含相对于机载天线的方位角和距离值；该信号输入杂波处理器后，根据不同探测点反射率的差异，将杆塔、线路类金属属性的物体和地面中非金属属性的物体区分开，此时所采集的信号包含物体即金属/非金属的基本属性和相对于机载天线的方位角和距离值；进而将信号输入信号积累器，当信号积累器获得离散数据的个数达到一定限值时记为一组，将此组数据整体输入FFT模块，由FFT算法处理后，数据进入信号处理单元；信号处理单元采集飞控***机载控制计算机中卫星定位数据即无人机GPS值和气压高度数据，将这两类数据与FFT模块处理后的数据融合，处理得到各个探测点的具体GPS值与高度，将具有重合点的两线状金属物即电力交跨线间距算出，得到线路走廊的简单三维地图。
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