基于多旋翼无人机的定向微波图传信号中继装置研究

1多旋翼无人机的优点分析

目前无人机在输电线路中的应用已全面铺开,作业人员以多旋翼无人机为主来开展输电线路无人机设备巡查任务,多旋翼无人机主要优点是轻便,到达现场可快速开展任务,但是架空输电线路地形复杂,多旋翼无人机信号经常受阻隔导致信号失联常有发生,严重影响了无人机设备安全和输电线路作业任务的执行。我们在输电线路作业中采用连接中继装置的无人机,即使信号翻越崇山峻岭,也能高效、安全、可靠地对输电线路设备进行巡查,快速发现输电线路设备缺陷,无须担心无人机信号丢失导致的各种问题,从而能够极大地提高无人机的作业效率,使作业人员能够快速了解线路设备情况。

2中继装置技术分析

2.1无人机图传工作方式

无人机控制信号与图像信号通过无线电传输,常见的无人机使用点对点通信,收发两端通过"对码"操作,相互记录信息,使用一致的无线电调制解调算法形成数据通信链。无人机与遥控器的数据通信链路分为上行链路与下行链路,上行链路用于将无人机操作手对遥控器的操作上传至无人机,下行链路则将无人机的姿态数据及图传画面回传,为无人机操作手提供参考。图1展示了普通情况下遥控信号无法穿过障碍物的现象。

图1普通情况下遥控信号无法穿过障碍物

电力作业无人机使用了2.4GHz及5.8GHz的无线通信频率,但是其并非使用了基于该频段的wiFi协议、蓝牙协议以及其他现有的协议。原因是大疆无人机使用了SDR（软件定义无线电）技术,收发端使用私有协议进行通信,实现了性能更优、功能更复杂的通信功能。

电力作业无人机遥控器使用了4根天线实现2组无线电信号的差分接收。4根天线均为宽频段天线,可以兼容2.4GHz及5.8GHz无线电信号的发送与接收。其中两根全向天线为主天线,用户可以通过软件配置无人机工作在哪种无线电频段下,遥控就会自动将该频段信号切换至主天线,另外两根天线则负责另一个频段的通信。

2.2中继装置工作原理

中继装置启动后,会搜索环境中无线电信号,找到干扰最小的两个频点,自动打开两条无线电通信链路,一条用于与无人机通信,一条与地面遥控端进行通信。这两条通信链路为了避免互相干扰,分别使用了不同频率进行通信,并且可以通过监测使用环境的无线电信号干扰情况,切换至不同的信道以保证无线电数据传输质量。图2展示了使用中继器后信号可绕过障碍物完成传输的情况。

图2使用中继器后信号可绕过障碍物完成传输

中继装置通过地面遥控链路接收到地面操作员遥控信号后,通过无人机通信链路将操作指令转发至无人机,实现无人机控制信号的中继。在遥控器与无人机通信链路中,中继装置充当了桥梁的角色。同时,中继装置使用了不同的天线搭配,最大程度上降低了无线电干扰。由于操作手与中继装置距离较近,而且相对位置较为固定,因此选用了定向天线提高无线电质量。定向天线的选取,可通过观察波瓣图,选取主瓣稍窄的天线,避免无线电信号在其他角度过多扩散形成噪声干扰[2]。

中继装置与无人机之间通信链路的天线则应选取全向天线,因为作业无人机横向、纵向运动范围较大,且中继装置角度由地面控制,想要精确对准作业无人机有不小的难度。考虑到中继装置与无人机之间几乎没有障碍物,环境及建筑物是干扰该信号的主要原因,因此选用2.4GHz频率下的全向天线可以获得最佳效果。哪怕作业无人机飞出主瓣范围,只要稍微调整中继装置朝向,即可恢复图传信号。

3中继装置工作实例

3.1传统无人机在输电线路的应用

在一次线路雷击跳闸后,作业人员携带普通作业无人机进行雷击故障点查找,受地形地貌和树木影响,无人机飞出一段距离后就失去了信号,作业人员只能绕过障碍选择其他合适的起飞点和相对宽阔的区域进行作业,极大地影响了无人机作业效率。另外无人机失去信号后飞控系统会执行返航指令,返航过程中极易撞上障碍物而导致无人机损毁无法完成任务。图3所示为作业人员在复杂环境下操控无人机。

图3作业人员在复杂环境下操控无人机

3.2无人机中继装置在输电线路的应用

无人机中继装置只需要对作业机进行对频,就能实现作业机遥控信号和图传信号的中继,作业无人机可翻山越岭对线路进行精拍,解决了输电线路复杂环境下信号遮挡的问题。针对图3的情况,作业人员基于中继装置利用作业机对雷击跳闸后线路设备进行精拍,面对高山峻岭无人机遥控信号及图传信号完全不受影响,作业人员无须再绕山绕路寻找空旷无遮挡的区域作业,大大节省了作业时间,提高了工作效率,并且能够很快发现故障点,使相关信息得到及时上报。

4结语

综上所述,多旋翼无人机搭载中继装置,解决了无人机信号因地形阻隔而丢失的问题。特别是在输电线路设备异常或跳闸后,作业人员到达现场无须再考虑地形情况,在允许的起飞点立刻启用无人机中继装置,作业无人机即可对起飞点半径50m范围内的输电线路设备进行快速查找,及时发现输电线路设备故障点并下载图片,通过网络传达至运行部门。中继装置极大地提高了输电线路设备巡视效率,适合大范围推广。