多旋翼无人机遥控信号增强技术应用研究

卢雨翔，孙宏彪，徐衍德

（国网江西省电力有限公司检修分公司，江西 南昌 330096）

0 引言

在输电线路巡检中，无人机的遥控距离，是构建全方位、超视距、多角度的输电线路立体巡检体系的重要技术之一，无人机飞行距离的远近直接影响无人机巡检效率和巡检质量，但现有无人机的实际飞行距离未达到《架空输电线路无人直升机巡检系统》（Q/GDW11385—2015）中“距地面高度40 m时图传（图像传输）距离不小于2 km”的要求。现提出一种增强无人机遥控器信号的方法，提高无人机飞行距离，提升超视距飞行时图像传输系统的清晰度和稳定性。

1 多旋翼无人机巡检现状

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是通过遥控设备与之相连，控制无人机的起飞、飞行、悬停、降落等动作，另外，部分型号无人机的遥控设备也参与控制无人机的图像传输系统。因此，遥控设备可以说是整个无人机巡检系统中最重要的组成部分。

按照《架空输电线路无人直升机巡检系统》的规定，输电线路小型无人机巡检系统的通讯要求应满足“距地面高度40 m时图传（图像传输）距离不小于2 km；图传延时≤300 ms”的要求，而在无人机遥控设备的说明书中，也明确遥控设备的范围在5 km左右。但是在500 kV输电线路中，受电磁干扰、气象环境和地形地貌等因素的影响[1]，部分无人机图传遥控距离在超过500 m后，地面站显示屏上就开始出现“雪花点”，甚至无法通过图传系统准确判断杆塔位置。在超过1 km后，无人机的控制也开始出现迟滞，操作人员的操作指令要1到2 s后才能在地面控制站中显示。日常巡检的实际遥控距离与理论值相差甚远将造成以下几个问题。

1.1 威胁无人机的安全飞行

无人机通过遥控器发出的指令开展巡检时，操作人员通常采用超视距的飞行方式，通过地面显控单元查看无人机实时传回的图像，对挂点、金具、导线、绝缘子等设备进行精益化巡视，巡视时通常距离铁塔1至5 m[2]。若此时遥控设备出现信号波动，操作人员将无法根据实时情况准确判断无人机状态，严重威胁无人机的安全飞行。

1.2 无人机的飞行距离受到限制

江西湖泊较多，部分线路处于湖泊地带，巡视人员无法靠近开展巡检，此时必定要进行长距离飞行，而遥控信号随着距离增加逐渐减弱造成飞行距离受到限制[3]。

1.3 图像质量低下，导致巡视质量下降

由于图像传输系统的好坏直接影响到无人机巡检质量。但由于图像传输系统受到电磁干扰影响严重，导致无人机飞行距离在超过一定距离后就难以清晰的看到无人机拍摄的图像，这不仅与图传的理论传输距离相距甚远，也极大的危害了无人机的安全飞行。

2 多旋翼无人机遥控信号增强技术研究方向

针对目前输电线路无人机巡检中实际遥控距离与理论值相差大的问题，以遥控器信号增强技术为出发点，研究提高遥控器功率的方法，提高无人机遥控实际距离，提高图像传输系统质量，保证超视距飞行的安全性，进一步适用于输电线路日常巡检要求[4]，着重开展以下需求研究。

2.1 遥控设备增程技术研究

改变遥控设备天线，增加遥控器功率，提高遥控设备的抗电磁干扰的能力[5]，采用TIME DIVISION DUPLEX（TDD）技术、线性功放和圆极化天线技术，在安全可控的前提下，提高无人机飞行距离和图像传输距离。

2.2 遥控器设计研究

在原有遥控设备上增加增程装置，因此，需对遥控设备的天线部分进行改造，重新对遥控设备设计调整。无人机增程后，遥控设备功率将增加，稳定的供电是对遥控设备的重要保障。

3 多旋翼无人机遥控信号增强装置设计

通过研究无人机遥控设备的信号增强装置，并将该装置与现有遥控设备结合，实现在超过2 km的超视距飞行中，图像传输信号和遥控信号小于300 ms的延迟，满足《架空输电线路无人机巡检作业技术导则》[6]的要求，基于这个目的，对以下内容开展研究。

3.1 TDD（TIME DIVISION DUPLEX）技术

选择移动通讯中常用的TDD技术的原因之一是可以高效灵活地利用所有可用带宽，另外，针对在图像传输、无人机指令控制的应用时上下行链路传输容量的要求不同，采用TDD方案可动态分配上下行链路的容量，实现资源分配的灵活性；最后，由于上下行链路使用相同的频率，上下行链路的一致性较好。在对移动台的发射功率进行控制时，可以用开环功率控制来取代较为复杂的闭环功率控制。

3.2 线性功放设计

功率放大器作为最接近遥控设备天线的重要器件，是无线通信系统中起关键作用的组件，其线性度和效率非常重要。由于现代通信的信号调制方式导致信号峰均比越来越高，使系统的效率降低，还有功率放大器本身固有的非线性特性，所以要提高功率放大器的工作效率和线性度。传统的功率回退法虽然可以提高功率放大器的线性度，但是其效率也会降低。因此需要采用适用的线性化技术，既可以提高功率放大器的线性度又可以保证效率。

3.3 圆极化天线设计

大多数普通天线都采用线极化方式，当收信天线的极化方向与线极化方向一致（电场方向）时，感应出的信号最大（电磁波在极化方向上投影最大）。随着收信天线的极化方向与线极化方向偏离越来越多时，感应出的信号越小（投影不断减小），当收信天线的极化方向与线极化方向正交场方向）时，感应出的信号为零（投影为零）。线极化方式对天线的方向要求较高，而对于圆极化，无论收信天线的极化方向如何，感应出的信号都是相同的，不会有什么差别。所以采用圆极化方式，使得系统对天线的方位敏感性降低。

3.4 遥控设备结构与电源设计

由于无人机增程技术的应用，涉及到在现有遥控设备上增加增程装置，因此遥控设备天线将重新安装，另外，天线功率的增大，必定造成遥控设备原有的电池容量不满足续航能力要求，采用在增程装置上增加电池管理模块，实现在续航方面遥控信号放大装置与无人机操控互不影响。

4 结语

随着无人机的应用频率逐渐提高，无人机在输电线路巡视中的地位也日益提高，但目前巡检采用的无人机实际飞行距离有限，在面对湖泊中的铁塔等极端情况下将显得捉襟见肘，而无人机增程技术的应用研究不仅解决了无人机长距离飞行的控制问题，还提高了图像传输系统的稳定性，这对无人机超视距飞行提供了极大的保证，进一步提高了输电线路的安全管控水平。