本發明涉及無人機避障應用領域，具體涉及高頻電磁波檢測及電力巡檢的無人機載高頻電磁波檢測電路單元。

背景技術：

1、無人機作為一個新興領域，發展迅速，在各個行業中都應用到了無人機，在未來發展中，無人機的使用將更加廣泛，因此無人機的避障功能尤為重要，避障功能將會使無人在飛行過程中的安全性大大提高，是保證無人機航行的前提條件。近年來，由于架空輸電線路覆蓋范圍區域廣，無人機穿越區域地形復雜以及自然環境惡劣，高壓電源產生的電場和磁場易對無人機的機載電子設備造成干擾，而不能正常工作，導致無人機發生姿態失衡、定點懸停偏離與漂移、飛行脫離控制以及嚴重時撞擊輸電線路及墜機等事故。輸電線路對電磁場的影響電磁場對通信、導航、廣播電視等電子設備的正常工作產生干擾輸電線路會產生電磁場，影響周圍環境電磁場強度與輸電線路的電壓、電流、頻率等因素有關電磁場也可能產生影響。輸電線路的電磁干擾會對無人機操控,通信性能產生明顯的影響,甚至嚴重威脅了無人機巡檢在輸電線路運維中的應用。

2、無人機避障問題主要是指在指定的飛行環境下，設計一種能夠使無人機從起始點安全抵達目標點的方法，這種方法不僅需要考慮如何能夠使無人機安全地避開障礙物，而且還需要滿足相應飛行航跡的要求以及無人機自身的物理約束條件。具備高效的避障能力已經成為無人機安全完成飛行任務的重要保障之一，因此，無人機在飛行過程中的避障問題逐漸引起許多專家學者的關注。在傳統無人機避障方法中，在其障礙物距離探測技術中大都使用光流法和運動重構物體結構法等技術。由于在光流法和運動重構物體結構的算法中計算量巨大，很難提取足夠特征點來實現目標障礙物的深度測量，在檢測計算障礙物位置時耗時較久。目前無人機采用的雙目識別雖然有著極為強大的功能，但仍然有一定的局限性。對于基于雙目視覺進行全向避障仍然較難實現。原因有二：一是由于轉過90°后的兩個視覺接收系統對于邊界點的處理會出現重合的情況，導致運算結果有偏差以至于報錯；二是因為不同角度的噪聲干擾不同，無法同步實現數據處理。

3、在電力系統中，電力電纜的故障率較高，國內外運行經驗和研究成果表明：電力電纜性能早期劣化或使用壽命很大程度上取決于其絕緣介質的樹枝狀老化，尤其是架空線路電暈放電的發生，會導致線路安全隱患，產生更嚴重的事故。架空線路電暈放電產生的原因有：電纜投運初期及電纜運行末期，受電纜接頭制作工藝、電纜本體絕緣樹枝老化、電-熱老化及附件老化的影響。其次是線路和絕緣子金具接觸不良、絕緣子表面污穢、絕緣子老化、電纜絕緣(特別是塑料電纜)非破壞性電氣或者線路斷股等，這些缺陷會形成電場強度局部增強的點，可能導致電場強度超過空氣的擊穿強度，引發局部放電或電暈放電。電暈放電的發生會造成架空線路電能消耗、會產生高頻脈沖電流，其中包含的各種高次諧波會造成無線電干擾。引發一系列的化學反應，產生臭氧、一氧化氮、二氧化氮等強腐蝕性物質，引發嚴重的線路故障。某些薄弱部位在強電場的作用下發生局部放電是高壓絕緣中普遍存在的問題。局部放電現象是電網運維時所面對的潛在威脅之一。異常放電電磁波屬于高頻電磁波，一般頻帶范圍在幾百mhz，局部放電超高頻信號帶寬高達數ghz，特別是沿海特有的“三高”氣候，會大大增加閃絡事故發生的概率。對其實施實時采樣成本很高；其包絡信號包含了放電的缺陷特征。當發生局部放電時，會同時伴隨有超高頻電磁信號產生(最高頻率可達3ghz)，超高頻電磁信號會向四周輻射，如果遇到金屬屏蔽將沿著金屬殼外壁傳輸，并向外界輻射。因此通過容性的或天線式的超高頻傳感器可以接收到發生局部放電時產生的超高頻電磁信號。由于較弱電磁場干擾信號既有很強的隱蔽性以及與轉為環境的多變性，檢測時，只能離線監測，但成本較高。作業人員攜帶設備登塔在線檢測存在風險較大的問題，實際操作復雜，受氣象(風速等)及龐大的氫氣球自身所帶電荷等因素的影響；測量點位多，現場工作量巨大，難以實施。通過多年的技術研發和實踐，基于無人機具有準確定位、空中懸停、路徑巡航等特點，使無人機搭載電磁場測量儀測量大型發射設施的空間電磁場成為可能。無人機巡檢技術已經發展成一種高效、低成本、低風險的空中巡檢技術。大大提高了巡檢效率。但現有的測距技術在應用中都有一定的難度，因此在目前的無人機巡檢中，大多還是現場操控人員通過肉眼判斷，這對工作人員的要求極高，同時存在一定安全隱患。在無人機巡檢中，如何避免與輸電線路碰撞是保證無人機和輸電安全的關鍵。目前，采用較多的是毫米波雷達避障技術和基于地理信息系統導航的巡檢避障技術，但是毫米波雷達避障技術存在反射波如何過濾的問題；基于地理信息系統導航的巡檢避障技術存在不能近距離靠近輸電線路，有時無法對輸電線路進行清晰的巡檢拍攝，不利于故障診斷的準確性。遠離輸電線時，等電場值線趨向于半圓形，而接近輸電線時，等電場值線為不規則形狀。而無法單純從檢測電場值得到觀察點離輸電線的距離。目前單一的電場、磁場及電場、磁場梯度在正負半軸兩側都沒有嚴格的單調性，無法作為距離的有效特征量。由于無人機巡線過程完全處于強電磁場環境中及無人機設備擁有的高度集中特性，導致無人機經常會遇到各種電磁干擾的困擾。任何電子設備都會產生不同程度的電磁干擾(emi)，無人機也不例外。一定頻率和功率的電磁干擾(emi)有可能會對周圍的其他電子設備產生干擾，干擾信號會通過導電介質從一個電網絡傳導到另一個電網絡，引起不能正常工作甚至出現事故，故對放電檢測電路的要求較高。并且不同的探測技術會使無人機的避障能力有著截然不同的變化，比如環境和天氣。對于圖像處理，光反射將影響無人機中攝像機的檢測結果。又比如目前應用最為廣泛的紅外或激光測距的無人機探測技術，由于是通過信號來計算的，因此很容易受到外界因素的干擾，難以完成周圍環境的詳細描述，進行避障具有一定局限性，在實際作業中，避障在復雜環境下的表現不盡如人意，對于細小如電線的物體，并不能完全準確識別，用于自動避障的功能并不是很合適。特別是在無人機避障技術中，如何快速準確的對對象進行檢測仍然是一個挑戰。

4、現有技術高頻電磁波檢測電路系統高頻電磁波檢測單元的巡檢技術存在局限性：存在安全隱患，需要人工操作，無法實現自主避障電磁場檢測，需要解決無人機避障問題。用于局放檢測的特高頻天線檢測頻帶要求介于300-1000mhz之間，且要求尺寸不能太大。傳統基于線極化天線的靜電放電esd探測系統易出現極化失配現象，目前用于局部放電檢測的特高頻天線有環形天線、平面螺旋天線、hilbert分形天線等，普遍存在體積大、靈敏度低、頻帶單一或增益小、檢測頻帶較窄，不能捕捉微弱的局部放電信號等問題。

技術實現思路

1、本發明的目的是針對現有技術存在問題和不足之處，提供一種能夠為無人機避障提供準確信息，便于實現對無人機的安全飛行控制,可以快速、準確地發現輸電線路故障，能夠檢測出無人機與高壓輸電線在不同距離時的電場和磁場強度，還可以提高巡檢效率的無人機載高頻電磁波檢測電路單元。

2、本發明的上述目的可以通過以下技術方案予實現：一種無人機載高頻電磁波檢測電路單元，包括：搭載適配無人機，基于立體視覺的信號采集避障模塊、雙目測距傳感器模塊和異常放電頻譜檢測電路，以及搭載兩個支持多向運動的觸景視覺卡模組，其特征在于：信號采集避障模塊與高頻信號采樣電路相連，通過基于電暈放電頻譜分布特性設計的微型天線進行電磁場檢測，檢測無人機所處位置的電場,電磁波強度、電磁場方向和電磁場頻率，獲取高頻目標信號，并對實時采集的電磁場信號進行數據預處理；異常放電頻譜檢測電路對實時采集到的電磁場信號進行濾波、降噪后，對數據進行預處理操作和特征提取，將提取的頻率、幅度、相位電磁場信號的特征作為傳感檢測數據，將雙目測距傳感器模塊探測所得結果數據導入到信號采集避障模塊；信號采集避障模塊根據特征提取結果，對電磁場信號進行分類，對分類后的電磁場信號進行分析，分析電磁場強度、電磁場強度變化、電磁場類型的實際三維電磁場分布，識別障礙物的三維信息，基于視覺感知判斷無人機是否處于安全范圍,經過pc機的運算得出避障飛行的指令，經圖像處理，感知障礙物與所處環境，飛控系統快速運算響應，發出指令進行自主避障，或通過檢測電磁場頻率、電磁場強度和電磁場方向，實現對輸電線路的檢測和避障，同時通過異常放電頻譜檢測電路相連的顯示模塊將分析結果輸出。

3、本發明相比于現有技術具有如下有益效果：

4、本發明將射頻電磁波檢測方法與無人機相結合，通過無人機搭載高頻電磁波檢測單元，檢測無人機所處位置的電場和電磁波強度,判斷無人機是否處于安全范圍,檢測數據通過無線傳輸到地面控制中心或直接提供給無人機飛控處理單元,實現對無人機的安全飛行控制和無人機的避障功能，解決無人機飛行的安全性和飛行效率。同時還可以克服人工巡檢過程中經常遇到惡劣的地理環境問題，對無人機在巡線作業時保持安全距離起到了非常重要的作用。與傳統人工巡檢相比，無人機輸電線路巡檢不受地形環境限制、視角寬廣、精度高、安全性好。

5、本發明采用以雙目立體視覺技術為主的雙目測距傳感器模塊，利用兩個攝像頭仿制出人眼雙目的效果，獲取空間三維場景的距離信息，利用“觸景視覺卡”模組智能化，可以感知更復雜的環境參數，視覺卡的嵌入式特性不僅體積小(平方厘米，相當于1元硬幣)、速度快(處理速度可達20fps)、抗環境光干擾(環境光照10-10000流明)，并且多向運動(可以3個方向雙目6個攝像頭)避障范圍可達0.8-15米，在距離視覺卡攝像頭1.4米的位置，能識別出電線粗細的障礙物，還可以免去對服務器資源的調用。搭載兩個支持多向運動的觸景視覺卡模組可以基本實現五向避障，不存在檢測識別方面的約束，雙目通過視差來計算深度，解算深度的精度很高，誤差更小；不用耗費額外資源更新數據庫，并且有效解決不同視角和不同遮擋情況的障礙目標檢測問題和前端視頻采集+智能化分析—后臺存儲的“前端智能化”行業痛點。為無人機提供更為精確的穿越坐標。在造價方面，雙目測距傳感器模塊相比激光雷達、結構光等傳感器價格要低很多。

6、本發明針對高壓輸電線的電磁場輻射對電力巡線無人機帶來的安全隱患問題,基于電磁場檢測的搭載適配無人機的信號采集避障模塊和異常放電頻譜檢測電路，確定電暈放電電磁輻射的情況，及時掌握電力系統設備運行情況，檢測出無人機與高壓輸電線在不同距離時的電場和磁場強度，實現輸電設備電暈放電的近距離檢測，有效支撐電力系統安全穩定運行。并且可以將微弱的電磁場干擾信號進行甄別和放大，解決由于高壓架空輸電線路的高度較高，工作人員攜帶射頻電磁波檢測裝置登塔作業存在較大安全風險的問題及各種電磁干擾的困擾。

7、本發明采用立體視覺的信號采集避障模塊，它可以輔助無人機更快更好地識別周圍場景，通過立體視覺識別來實現自動避障。其立體視覺是基于視差原理的機器視覺的一種重要形式，它利用成像設備從不同的位置獲取被測物體的圖像，通過計算圖像對應點間的位置偏差，獲取空間三維場景的距離信息和目標物體的三維信息，得到的信息就對避障效果起到了決定性的影響。無人機避障技術中，信號采集避障模塊采用的立體視覺技術具有系統結構簡單、成本低、效率高、精度合適等優點，相比傳統的超聲波、紅外、激光探測，立體視覺具備精度高、而且不易受到外界干擾。采用的電磁場檢測技術的基本原理電磁場頻率檢測是通過檢測電磁場頻率，實現對輸電線路的檢測和避障。信號采集避障模塊根據電暈放電頻譜分布特性設計的異常放電微型天線信號采集，進行電磁場強度檢測、電磁場方向檢測和電磁場頻率檢測，實時采集電磁場信號并進行數據預處理，能夠實現無人機搭載進行近距離放電檢測，為架空線路電暈放電檢測提供了新型便捷的檢測方法，可以讓無人機做出更準確流暢的動作選擇。

8、本發明微型天線有限元模型設計和仿真法作為距離的有效特征量，可以通過不同高度的電場或磁場值作為判斷輸電線路距離的特征量。根據電暈放電頻譜分布特性設計的異常放電微型天線信號采集，進行電磁場強度檢測、電磁場方向檢測和電磁場頻率檢測，由于搭載適配無人機的hilbert分形結構的異常放電微型天線，具備小型化、輕量化的特點，具有空間填充特性，其很強的空間填充能力有利于天線的小型化設計。利用分形結構的自相似性和空間填充性，在增加寬帶的同時還實現了增益的增加和尺寸的縮減，可以使天線在保持基本輻射特性不變的情況下具有更短的尺寸。分形螺旋天線的尺寸和頻帶寬等問題都可以得到有效的改善。在具備尺寸縮減特性的同時，有效地保持了天線的效率不急劇下降。分形結構的空間填充性可以減小天線尺寸，分形結構的自相似性特點能增加諧振點和展寬帶寬；當天線開始工作時，這些相似的分形結構產生的不同的電流路徑相互作用從而會產生不同的諧振點，諧振點的個數和位置皆發生了改變，這樣不僅可以減少設備的尺寸，還使阻抗匹配效果得到改善。得到天線的最佳阻抗匹配特性，可有效避免極化失配現象，改善天線的頻帶窄和體積大等缺點。分形輻射單元工作時的相互作用改變了整個空間的電磁輻射分布，矩形螺旋分形相位中心對反射后的電磁波具有匯聚作用，可增強天線軸向區域的輻射強度。經過多次的仿真和優化可以發現矩形分形螺旋雙分天線有更寬的帶寬。通過優化后的天線性能得到了明顯的提高，接收信號能力更強，頻段更寬。由于矩形分形螺旋雙分天線是一種小型化天線結構，并具有良好的輻射方向性，可以實時監測輸電線路的電磁場強度，與二維hilbert標簽天線和普通天線相比，矩形分形螺旋雙分天線具有更多優點：它具有多頻帶、寬頻帶的特性，特別是工作在多個頻段上時具有相似的輻射特性。這種小型化的分形結構天線可以實現高效率的諧振在915mhz，提高了巡檢效率。因此，根據該曲線設計的分形天線具備多頻段、尺寸縮減特性，可以滿足電氣設備局部放電檢測天線尺寸小、頻帶寬的要求。

9、本發明為了驗證本系統的性能，對500kv的架空輸電線路進行了實地測量，同時驗證天線的放電檢測功能，使天線能夠在更小尺寸結構的條件下滿足異常放電電磁波頻段的檢測，滿足放電檢測靈敏度的要求。通過操作無人機分別對架空線路桿塔左側、右側、跳串部位的絕緣子金具附近進行檢測，成功測得不同部位的放電信號，并能夠區分放電的相對強弱。實驗結果表明，其采用的電磁場檢測技術可以應用于輸電線路的維護和檢修，還可以應用于輸電線路的故障診斷和預警，提高線路的運行可靠性和穩定性及工作效率和安全性。

10、本發明可以將不同高度的電場或磁場值作為判斷輸電線路距離的特征量，判斷無人機是否處于安全范圍,檢測出無人機與高電線在離和磁場強度，進而實現無人機的避障功能，通過檢測電磁場頻率、電磁場強度和電磁場方向，可以實現對輸電線路的檢測和避障，異常放電高頻譜檢測電路通過顯示模塊將分析結果輸出。這種將檢測與無人機相結合，通過無人機這一高機動性、長續航能力的飛行平臺，可以代替人工登塔，利用無人機搭載無線遙控設備、高清圖像采集傳輸設備，以及輔助的傳感器模塊，由無線傳輸模塊將圖像發回地面操作平臺進行分析，本發明也可以應用于輸電線路、高壓電塔的電磁場檢測，實時監測輸電線路的電磁場強度，還可以適用于工業巡檢，規劃巡檢路線，實時跟蹤定位、自動避障等，提高巡檢效率和安全性。且無需作業人員親臨塔底、效率高、無巡檢“盲區”。