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[摘 要]針对无人机对电台巡检的需求，提出了无人机对电台系统的设计方法，介绍了系统架构设计及软件模块设计系统，并阐述了无人机对电台巡检的关键技术，同时系统充分考虑了模块化、可视化与交互性。
[关键词]无人机；电台巡检设计
中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0103-01
一、背景
随着电台设施的信息化、智能化技术的高速发展，存在距离长、沿线地形复杂、塔体高等因素导致常规的线路巡检作业方法已难以满足现有人员紧缺的现状和线路复杂的巡检要求。无人机线路巡检技术是近年发展起来的一门新兴技术，它不受地形环境限制，具有效率高、作业范围广的优势，可解决常规线路巡检所无法解决的问题。
欧美各国在20世纪50年代开始研究并使用无人机完成巡线、作业和线路施工，相应的无人机任务规划软件系统的研究也随即展开。美国20世纪80年代末在无人机任务规划软件系统的研究方面暂时处于世界领先地位，开发了上层任务规划系统和战术级任务规划系统。上层任务规划系统是指美国空军早先使用的TEMPLAR战术专家任务规划系统、军级任务规划系统（force level auto-mated planning system， FLAPS）和后来装备部队的先进任务规划系统（advanced mission planning，APS）。战术级任务规划系统称为任务支援系统（multi - satellites scheduling system，MSS），MSS系列经过了实战考验，并根据实际需求和环境条件变化，经历了MSS II，MSSIIA，MSS II+到MSS II Block 一系列的发展。我国从20世纪60年代开始无人机的研制工作。1995年我国正式开展无人机任务规划系统技术的立项研究，“无人机自动任务规划系统的设计与实现”成为国家九五预研。近年我国的一些高校和科研院所相继开展了无人机任务规划技术的专门研究并取得了一定成果。
由于起步较晚、基础薄弱，我国传统的无人机任务规划系统存在着一些不足。首先，没有突出实时任务规划技术的研究。随着环境的实时变化，需要结合最新的飞行目标对既定飞行任务进行在线修改、调整。
其次，我国研究人员目前或者专注于某一算法的专门研究，或者专注于某种任务分配的组合优化的研究，或者专注于航迹规划的优化，而一个良好的线路巡检任务规划系统，应该是综合了航迹布设、航迹优化、相机曝光点布设、稳定平台姿态解算以及中继点布设等功能的集成。
二、系统设计
本文在深入研究无人机对设施线路巡检的整个技术流程的基础上，阐述了无人机对设施线路巡检航线设计和任务规划软件的设计方法，并对其关键技术进行了详细介绍和分析。
2.1.软件功能模块设计
针对无人机对设施巡检的方案要求，将无人机对设施巡检航线及任务规划软件分为工程管理模块、航线自动生成及任务规划、人机编辑模块、检核与输出模块四个模块。
工程管理模块，工程管理模块主要完成航线设计的准备工作。其中包括新建、保存当前工程和打开已保存工程；设置系统坐标系是设置当前进行航线设计和任务规划时，显示地形数据、航线所采用的地理坐标系，包括WGS-84坐标系、北京54坐标系、西安80坐标系；设置传感器参数分别设置工程中所采用的传感器参数，包括激光雷达、光学相机、红外扫描仪、紫外扫描仪的参数，以便在航迹布设和曝光点布设时使用；工程管理模块中还包含数据加载功能，包括地矢量数据和栅格数据的加载，为航线设计和任务规划提供辅助信息，如地形数据、线路分部图等。
2.2.检核与输出模块设计
检核与输出模块是对已生成的航线和其他信息进行检核和信息输出的模块。包括距离量测功能，可以用来量测无人机到灯塔、灯桩、塔台等之间的距离等；航线覆盖范围，即无人机按照生成的航线飞行时传感器数据对目标物的覆盖范围；剖面显示，即显示无人机飞行过程中各个点处，每个传感器对目标物截面的覆盖显示；分析直升机任意点到控制中心的通视状况以及在有中继点时分析无人机到中继点、中继点到控制中心的通视状况；输出航线信息、曝光点及稳定平台姿态信息；专题图制图及生成无人机对设施巡检的航线及自动规划系统的任务规划设计书。
三、布设关键技术
无人机对电台设施巡检的航线及自动规划系统的研究涉及无人机航迹布设、中继点布设、相机曝光点布设、稳定平台姿态计算等多个关键技术，这些技术是系统的主体与核心，是保证无人机自动航线产生和任务规划的关键。
无人机航迹的规划是任务规划系统中的一项关键技术，其目标是在现实允许的时间内寻找最优或较优的飞行航迹，是确保无人机提高飞行器效能、圆满完成任务的技术保障。
根据无人机的特性和设施线路巡检的要求，在作业区在档距之间作业时，无人机的飞行高度需要根据弧垂的高度变化而进行调整，以保证飞机上所搭载的传感器能够获得完整的设施信息，这种作业方式不同于传统的固定航高式的作业；在高空处无人机需要根据巡线需求进行悬停，对塔顶附近及腐蚀部位、损坏部位等进行精细巡检，无人机的悬停点一般布设在当前航迹线段与下一条航迹线段的交叉点处；由于无人机悬停后可以直接转向进入下一段航迹线，因此布设作业区无人机航迹时，首先，需要判断当前线路段末端塔台处是否要进行悬停，若进行悬停，直升机可直接进入下一段航迹线；若不需要悬停，无人机需要绕塔台以一定的转弯半径绕行后进入下一段航迹线。
当无人机进行作业时，需要实时与控制中线保持通信畅通。因此进行航摄任务之前需要根据地形条件判断无人机巡线过程中地面控制中心与无人机之间的信号链路是否畅通，若存在不通视的区域，则需要通过中继传输，中继坐标的布设步骤：提取无人机航迹线路上的信号遮挡区段；以此区段中点为中心点，取适合大小的区域，在此区域内按中继无人机的飞行高度逐点搜索中继点，保证此中继点与区段内所有航迹点通视，同时此中继点与地面控制中心通视；计算此区域内得到的中继点是否满足下一信号遮挡区域中继点的要求，若满足则继续判断，若不满足则按照上述步骤计算其中继点；按照上述步骤完成整条航迹所有信号遮挡区段的中继点布设。
稳定平台搭载在无人机上，由姿态测量系统获得姿态角，通过控制系统完成姿态角与机械执行系统的变换，最终达到稳定目的。进行设施线路巡检时，由于无人机飞行高度随弧垂的高度变化而变化，传感器在各个位置处的数据获取姿态不尽相同，需要通过稳定平台的调整来达到合适的姿态。
稳定平台姿态计算是在已生成的曝光点和航迹点的基础上，根据各个传感器的航向或旁向视角以及各个传感器在稳定平台上的初始安装姿态来计算稳定平台的方位角和俯仰角，以保证所有传感器获得的数据能够覆盖目标对象。
四、结束语
基于无人机对电台设施线路安全巡检需求分析，按照无人机对电台设施巡检工作实施流程，结合无人机多传感器巡检系统具体特点，细致地进行了系统分析与总体设计，并阐述了无人机对电台设施线路巡检航线设计及任务规划过程中的关键方法。
参考文献
[1]董选昌.直升飞机电力作业现状及应用综述[J].广东电力，2011，24（2）：18-24.Dong xuan chang . Review on Status Quo and Application of Helicopters in Power natwork maintenance[J].Guang dong Electric Power，2011，24（2）：18-24.
[关键词]无人机；电台巡检设计
中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0103-01
一、背景
随着电台设施的信息化、智能化技术的高速发展，存在距离长、沿线地形复杂、塔体高等因素导致常规的线路巡检作业方法已难以满足现有人员紧缺的现状和线路复杂的巡检要求。无人机线路巡检技术是近年发展起来的一门新兴技术，它不受地形环境限制，具有效率高、作业范围广的优势，可解决常规线路巡检所无法解决的问题。
欧美各国在20世纪50年代开始研究并使用无人机完成巡线、作业和线路施工，相应的无人机任务规划软件系统的研究也随即展开。美国20世纪80年代末在无人机任务规划软件系统的研究方面暂时处于世界领先地位，开发了上层任务规划系统和战术级任务规划系统。上层任务规划系统是指美国空军早先使用的TEMPLAR战术专家任务规划系统、军级任务规划系统（force level auto-mated planning system， FLAPS）和后来装备部队的先进任务规划系统（advanced mission planning，APS）。战术级任务规划系统称为任务支援系统（multi - satellites scheduling system，MSS），MSS系列经过了实战考验，并根据实际需求和环境条件变化，经历了MSS II，MSSIIA，MSS II+到MSS II Block 一系列的发展。我国从20世纪60年代开始无人机的研制工作。1995年我国正式开展无人机任务规划系统技术的立项研究，“无人机自动任务规划系统的设计与实现”成为国家九五预研。近年我国的一些高校和科研院所相继开展了无人机任务规划技术的专门研究并取得了一定成果。
由于起步较晚、基础薄弱，我国传统的无人机任务规划系统存在着一些不足。首先，没有突出实时任务规划技术的研究。随着环境的实时变化，需要结合最新的飞行目标对既定飞行任务进行在线修改、调整。
其次，我国研究人员目前或者专注于某一算法的专门研究，或者专注于某种任务分配的组合优化的研究，或者专注于航迹规划的优化，而一个良好的线路巡检任务规划系统，应该是综合了航迹布设、航迹优化、相机曝光点布设、稳定平台姿态解算以及中继点布设等功能的集成。
二、系统设计
本文在深入研究无人机对设施线路巡检的整个技术流程的基础上，阐述了无人机对设施线路巡检航线设计和任务规划软件的设计方法，并对其关键技术进行了详细介绍和分析。
2.1.软件功能模块设计
针对无人机对设施巡检的方案要求，将无人机对设施巡检航线及任务规划软件分为工程管理模块、航线自动生成及任务规划、人机编辑模块、检核与输出模块四个模块。
工程管理模块，工程管理模块主要完成航线设计的准备工作。其中包括新建、保存当前工程和打开已保存工程；设置系统坐标系是设置当前进行航线设计和任务规划时，显示地形数据、航线所采用的地理坐标系，包括WGS-84坐标系、北京54坐标系、西安80坐标系；设置传感器参数分别设置工程中所采用的传感器参数，包括激光雷达、光学相机、红外扫描仪、紫外扫描仪的参数，以便在航迹布设和曝光点布设时使用；工程管理模块中还包含数据加载功能，包括地矢量数据和栅格数据的加载，为航线设计和任务规划提供辅助信息，如地形数据、线路分部图等。
2.2.检核与输出模块设计
检核与输出模块是对已生成的航线和其他信息进行检核和信息输出的模块。包括距离量测功能，可以用来量测无人机到灯塔、灯桩、塔台等之间的距离等；航线覆盖范围，即无人机按照生成的航线飞行时传感器数据对目标物的覆盖范围；剖面显示，即显示无人机飞行过程中各个点处，每个传感器对目标物截面的覆盖显示；分析直升机任意点到控制中心的通视状况以及在有中继点时分析无人机到中继点、中继点到控制中心的通视状况；输出航线信息、曝光点及稳定平台姿态信息；专题图制图及生成无人机对设施巡检的航线及自动规划系统的任务规划设计书。
三、布设关键技术
无人机对电台设施巡检的航线及自动规划系统的研究涉及无人机航迹布设、中继点布设、相机曝光点布设、稳定平台姿态计算等多个关键技术，这些技术是系统的主体与核心，是保证无人机自动航线产生和任务规划的关键。
无人机航迹的规划是任务规划系统中的一项关键技术，其目标是在现实允许的时间内寻找最优或较优的飞行航迹，是确保无人机提高飞行器效能、圆满完成任务的技术保障。
根据无人机的特性和设施线路巡检的要求，在作业区在档距之间作业时，无人机的飞行高度需要根据弧垂的高度变化而进行调整，以保证飞机上所搭载的传感器能够获得完整的设施信息，这种作业方式不同于传统的固定航高式的作业；在高空处无人机需要根据巡线需求进行悬停，对塔顶附近及腐蚀部位、损坏部位等进行精细巡检，无人机的悬停点一般布设在当前航迹线段与下一条航迹线段的交叉点处；由于无人机悬停后可以直接转向进入下一段航迹线，因此布设作业区无人机航迹时，首先，需要判断当前线路段末端塔台处是否要进行悬停，若进行悬停，直升机可直接进入下一段航迹线；若不需要悬停，无人机需要绕塔台以一定的转弯半径绕行后进入下一段航迹线。
当无人机进行作业时，需要实时与控制中线保持通信畅通。因此进行航摄任务之前需要根据地形条件判断无人机巡线过程中地面控制中心与无人机之间的信号链路是否畅通，若存在不通视的区域，则需要通过中继传输，中继坐标的布设步骤：提取无人机航迹线路上的信号遮挡区段；以此区段中点为中心点，取适合大小的区域，在此区域内按中继无人机的飞行高度逐点搜索中继点，保证此中继点与区段内所有航迹点通视，同时此中继点与地面控制中心通视；计算此区域内得到的中继点是否满足下一信号遮挡区域中继点的要求，若满足则继续判断，若不满足则按照上述步骤计算其中继点；按照上述步骤完成整条航迹所有信号遮挡区段的中继点布设。
稳定平台搭载在无人机上，由姿态测量系统获得姿态角，通过控制系统完成姿态角与机械执行系统的变换，最终达到稳定目的。进行设施线路巡检时，由于无人机飞行高度随弧垂的高度变化而变化，传感器在各个位置处的数据获取姿态不尽相同，需要通过稳定平台的调整来达到合适的姿态。
稳定平台姿态计算是在已生成的曝光点和航迹点的基础上，根据各个传感器的航向或旁向视角以及各个传感器在稳定平台上的初始安装姿态来计算稳定平台的方位角和俯仰角，以保证所有传感器获得的数据能够覆盖目标对象。
四、结束语
基于无人机对电台设施线路安全巡检需求分析，按照无人机对电台设施巡检工作实施流程，结合无人机多传感器巡检系统具体特点，细致地进行了系统分析与总体设计，并阐述了无人机对电台设施线路巡检航线设计及任务规划过程中的关键方法。
参考文献
[1]董选昌.直升飞机电力作业现状及应用综述[J].广东电力，2011，24（2）：18-24.Dong xuan chang . Review on Status Quo and Application of Helicopters in Power natwork maintenance[J].Guang dong Electric Power，2011，24（2）：18-24.