基于多旋翼無人機(jī)的定向微波圖傳信號(hào)中繼裝置研究

1多旋翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)分析

目前無人機(jī)在輸電線路中的應(yīng)用已全面鋪開,作業(yè)人員以多旋翼無人機(jī)為主來開展輸電線路無人機(jī)設(shè)備巡查任務(wù),多旋翼無人機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)是輕便,到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)可快速開展任務(wù),但是架空輸電線路地形復(fù)雜,多旋翼無人機(jī)信號(hào)經(jīng)常受阻隔導(dǎo)致信號(hào)失聯(lián)常有發(fā)生,嚴(yán)重影響了無人機(jī)設(shè)備安全和輸電線路作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行。我們?cè)谳旊娋€路作業(yè)中采用連接中繼裝置的無人機(jī),即使信號(hào)翻越崇山峻嶺,也能高效、安全、可靠地對(duì)輸電線路設(shè)備進(jìn)行巡查,快速發(fā)現(xiàn)輸電線路設(shè)備缺陷,無須擔(dān)心無人機(jī)信號(hào)丟失導(dǎo)致的各種問題,從而能夠極大地提高無人機(jī)的作業(yè)效率,使作業(yè)人員能夠快速了解線路設(shè)備情況。

2中繼裝置技術(shù)分析

2.1無人機(jī)圖傳工作方式

無人機(jī)控制信號(hào)與圖像信號(hào)通過無線電傳輸,常見的無人機(jī)使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,收發(fā)兩端通過"對(duì)碼"操作,相互記錄信息,使用一致的無線電調(diào)制解調(diào)算法形成數(shù)據(jù)通信鏈。無人機(jī)與遙控器的數(shù)據(jù)通信鏈路分為上行鏈路與下行鏈路,上行鏈路用于將無人機(jī)操作手對(duì)遙控器的操作上傳至無人機(jī),下行鏈路則將無人機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)及圖傳畫面回傳,為無人機(jī)操作手提供參考。圖1展示了普通情況下遙控信號(hào)無法穿過障礙物的現(xiàn)象。

圖1普通情況下遙控信號(hào)無法穿過障礙物

電力作業(yè)無人機(jī)使用了2.4GHz及5.8GHz的無線通信頻率,但是其并非使用了基于該頻段的wiFi協(xié)議、藍(lán)牙協(xié)議以及其他現(xiàn)有的協(xié)議。原因是大疆無人機(jī)使用了SDR（軟件定義無線電）技術(shù),收發(fā)端使用私有協(xié)議進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)了性能更優(yōu)、功能更復(fù)雜的通信功能。

電力作業(yè)無人機(jī)遙控器使用了4根天線實(shí)現(xiàn)2組無線電信號(hào)的差分接收。4根天線均為寬頻段天線,可以兼容2.4GHz及5.8GHz無線電信號(hào)的發(fā)送與接收。其中兩根全向天線為主天線,用戶可以通過軟件配置無人機(jī)工作在哪種無線電頻段下,遙控就會(huì)自動(dòng)將該頻段信號(hào)切換至主天線,另外兩根天線則負(fù)責(zé)另一個(gè)頻段的通信。

2.2中繼裝置工作原理

中繼裝置啟動(dòng)后,會(huì)搜索環(huán)境中無線電信號(hào),找到干擾最小的兩個(gè)頻點(diǎn),自動(dòng)打開兩條無線電通信鏈路,一條用于與無人機(jī)通信,一條與地面遙控端進(jìn)行通信。這兩條通信鏈路為了避免互相干擾,分別使用了不同頻率進(jìn)行通信,并且可以通過監(jiān)測(cè)使用環(huán)境的無線電信號(hào)干擾情況,切換至不同的信道以保證無線電數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。圖2展示了使用中繼器后信號(hào)可繞過障礙物完成傳輸?shù)那闆r。

圖2使用中繼器后信號(hào)可繞過障礙物完成傳輸

中繼裝置通過地面遙控鏈路接收到地面操作員遙控信號(hào)后,通過無人機(jī)通信鏈路將操作指令轉(zhuǎn)發(fā)至無人機(jī),實(shí)現(xiàn)無人機(jī)控制信號(hào)的中繼。在遙控器與無人機(jī)通信鏈路中,中繼裝置充當(dāng)了橋梁的角色。同時(shí),中繼裝置使用了不同的天線搭配,最大程度上降低了無線電干擾。由于操作手與中繼裝置距離較近,而且相對(duì)位置較為固定,因此選用了定向天線提高無線電質(zhì)量。定向天線的選取,可通過觀察波瓣圖,選取主瓣稍窄的天線,避免無線電信號(hào)在其他角度過多擴(kuò)散形成噪聲干擾[2]。

中繼裝置與無人機(jī)之間通信鏈路的天線則應(yīng)選取全向天線,因?yàn)樽鳂I(yè)無人機(jī)橫向、縱向運(yùn)動(dòng)范圍較大,且中繼裝置角度由地面控制,想要精確對(duì)準(zhǔn)作業(yè)無人機(jī)有不小的難度?？紤]到中繼裝置與無人機(jī)之間幾乎沒有障礙物,環(huán)境及建筑物是干擾該信號(hào)的主要原因,因此選用2.4GHz頻率下的全向天線可以獲得最佳效果。哪怕作業(yè)無人機(jī)飛出主瓣范圍,只要稍微調(diào)整中繼裝置朝向,即可恢復(fù)圖傳信號(hào)。

3中繼裝置工作實(shí)例

3.1傳統(tǒng)無人機(jī)在輸電線路的應(yīng)用

在一次線路雷擊跳閘后,作業(yè)人員攜帶普通作業(yè)無人機(jī)進(jìn)行雷擊故障點(diǎn)查找,受地形地貌和樹木影響,無人機(jī)飛出一段距離后就失去了信號(hào),作業(yè)人員只能繞過障礙選擇其他合適的起飛點(diǎn)和相對(duì)寬闊的區(qū)域進(jìn)行作業(yè),極大地影響了無人機(jī)作業(yè)效率。另外無人機(jī)失去信號(hào)后飛控系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行返航指令,返航過程中極易撞上障礙物而導(dǎo)致無人機(jī)損毀無法完成任務(wù)。圖3所示為作業(yè)人員在復(fù)雜環(huán)境下操控?zé)o人機(jī)。

圖3作業(yè)人員在復(fù)雜環(huán)境下操控?zé)o人機(jī)

3.2無人機(jī)中繼裝置在輸電線路的應(yīng)用

無人機(jī)中繼裝置只需要對(duì)作業(yè)機(jī)進(jìn)行對(duì)頻,就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)遙控信號(hào)和圖傳信號(hào)的中繼,作業(yè)無人機(jī)可翻山越嶺對(duì)線路進(jìn)行精拍,解決了輸電線路復(fù)雜環(huán)境下信號(hào)遮擋的問題。針對(duì)圖3的情況,作業(yè)人員基于中繼裝置利用作業(yè)機(jī)對(duì)雷擊跳閘后線路設(shè)備進(jìn)行精拍,面對(duì)高山峻嶺無人機(jī)遙控信號(hào)及圖傳信號(hào)完全不受影響,作業(yè)人員無須再繞山繞路尋找空曠無遮擋的區(qū)域作業(yè),大大節(jié)省了作業(yè)時(shí)間,提高了工作效率,并且能夠很快發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn),使相關(guān)信息得到及時(shí)上報(bào)。

4結(jié)語

綜上所述,多旋翼無人機(jī)搭載中繼裝置,解決了無人機(jī)信號(hào)因地形阻隔而丟失的問題。特別是在輸電線路設(shè)備異?；蛱l后,作業(yè)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)無須再考慮地形情況,在允許的起飛點(diǎn)立刻啟用無人機(jī)中繼裝置,作業(yè)無人機(jī)即可對(duì)起飛點(diǎn)半徑50m范圍內(nèi)的輸電線路設(shè)備進(jìn)行快速查找,及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路設(shè)備故障點(diǎn)并下載圖片,通過網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)至運(yùn)行部門。中繼裝置極大地提高了輸電線路設(shè)備巡視效率,適合大范圍推廣。