双光电力巡查吊舱高速稳定数据传输系统_武艺.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第4期No.42023年2月Feb.2023收稿日期：2021-12-21稿件编号：202112135基金项目：国网通用航空有限公司自建科研项目（1100/2021-44002B）作者简介：武 艺（1981），男，北京人，高级工程师。研究方向：输电线路运维技术。目前，超高压架空输电线路在能源输送上发挥着重要作用，然而由于地形越来越复杂，自然环境恶劣多变，超高压输电通道走廊资源日益短缺，破损、灼烧等现象时有发生，甚至会带来严重的火灾事故。因此，对架空输电线路进行检查十分重要。通过直升机飞行巡检可以解决地面人员检查劳动强度过大、检测精度较低、视线盲区较大的问题1-2。但随着巡查面积的增加，人们对双光电力巡查吊舱提出了更高的要求。而目前吊舱使用的红外热像仪都不具备数据流采集功能，仪器呈现的红外数据不能与照片数据关联，各项分散的数据难以处理，因此双光电力巡查吊舱高速稳定数据传输系统武 艺，晏 武，郭峻菘，白云灿，郭晓冰（国网通用航空有限公司，北京 100000）摘要：传统的双光电力巡查吊舱数据传输系统的数据传输不够稳定、延时较长、发送端数据和接收端数据难以保持一致。为此，设计了一种新的高速稳定数据传输系统，系统硬件由吊舱、交-直-交变频器、ST-200可编程控制器、减速机构、高分辨率成像 CCD传感器和宽动态成像 CCD传感器组成。在变频器内部引入多种电路，确保数据传输过程的稳定性，通过ST-200可编程控制器处理信号。根据系统摄像机分辨率和景深结果计算数据在传递过程中的误差，通过校正确保传输精度，选用串行的方式实现数据传输。实验结果表明，该系统数据延时仅为 90 ns，且传输过程的稳定性高，接收端数据波形与发送端波形一致，具有很强的传输能力。关键词：双光电力巡查；巡查吊舱；高速数据；稳定数据；数据传输中图分类号：TN-9文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）04-0155-04DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.04.032Highspeed and stable data transmission system of dualoptical power inspection podWU Yi，YAN Wu，GUO Junsong，BAI Yuncan，GUO Xiaobing（State Grid General Aviation Corporation，Beijing 100000，China）Abstract:The data transmission system of the traditional dual optical power inspection pod is not stableenough，the delay time is long，and the data of transmitting end and receiving end are difficult to keepconsistent.Therefore，a new highspeed and stable data transmission system is designed.The hardwareof the system consists of pod，AC-DC-AC converter，ST-200 programmable controller，reductionmechanism，high resolution imaging CCD sensor and wide dynamic imaging CCD sensor.Various circuitsare introduced into the inverter to ensure the stability of data transmission process，and signals areprocessed by ST-200 programmable controller.According to the results of camera resolution and depth offield，the error of data transmission is calculated，the transmission accuracy is ensured by correction，anddata transmission is realized by serial method.The experimental results show that the data delay of thesystem is only 90 ns，and the stability of the transmission process is high.The waveform of the receivingend is consistent with that of the sending end，which has a strong transmission capacity.Keywords:dualoptical power inspection；inspection pod；highspeed data；stable data；data transmission-155电子设计工程 2023年第4期迫切需要研究出一种有效的双光电力巡查吊舱高速稳定数据传输系统。相关学者为了解决上述问题，做了大量的设计。目前设计的面向森林输电线路林火监测的无人机吊舱系统，通过吊舱主体、减震装置和相机雷达实现数据处理，该系统具有很好地处理复杂环境问题的能力，能够实现精准定位，但是该吊舱系统仅能够针对森林输电线路林火进行监测，在其他方面工作能力较差3。另外，针对机载光电测试吊舱，相关学者还改进了吊舱的结构，有效地降低了吊舱的干扰力矩，从而提高吊舱运行过程的稳定性。但是该项研究仅能够为提高数据传输效果提供间接支持，缺少直接改进4。针对目前双光电力巡查吊舱数据传输研究较少的问题，该文设计了一种新的双光电力巡查吊舱高速稳定数据传输系统。1系统硬件设计由于吊舱结构较为特殊，因此设计的双光电力巡查吊舱高速稳定数据传输系统必须要能够在连续旋转状态实现数据传输，并且要保证传输过程的稳定性和可靠性。为了满足上述要求，该文设计的双光电力巡查吊舱高速稳定数据传输系统主要由传感器、变频器、可编程控制器组成。系统硬件结构如图 1所示。图1系统硬件结构根据图 1可知，通过 ST-200可编程控制器对变频器进行连接，该文针对变频器、控制器和传感器进行设计。1.1变频器设计在硬件设计中引入了变频器，变频器不仅能够降低系统传输数据的能耗，同时能够提高传输效率，确保稳定性。变频器利用多个辅助电路将系统内部的工频电源转换成中频电源，使数据传输系统能够实现变速运行5-6。由于吊舱的工作结构比较复杂，因此该文使用的变频器为交-直-交变频器，通过强迫换流的方式使系统能够实现二次换能，虽然与传统的交-交变频器相比，工作效率略低，但是内部的元件数量更少，能够在短时间内提高元件的利用率，利用PWM方式调节电压，适用于吊舱内部各种不同的装置7-8。交-直-交变频器的工作原理如图2所示。图2交-直-交变频器工作原理该文选用的交-直-交变频器内部的整流电路选用三相全波整流桥，用于对系统内部进行整合，使用中间电路通过滤波处理完成脉动电压的滤波工作，确保信号在传输过程中质量不会降低。逆变器选用 IGBT 管作为开关器件，通过储能元件完成信息缓冲9。1.2ST-200可编程控制器ST-200可编程控制器由中央处理器、存储器和I/O单元组成，结构如图3所示。ST-200 可编程控制器利用CPU不断采集信号，通过执行软件程序完成一系列处理，并将处理后的信号输出10-11。为了保证可编程控制器的运行效果，同时设置了+10 V、+20 V两种开关直流电源供控制器选择。图3ST-200可编程控制器结构1.3传感器传感器分为高分辨率成像CCD传感器和宽动态成像 CCD传感器，这两组传感器同时连接可见光成像镜头，这两组传感器能够感知巡查区域的数据，并将得到的数据清晰成像，更好地显示数据内容，方便工作人员查看12。同时连接红外热像仪，如果数据在传输过程出现高温发热点，需要标识异常点温度，显示给工作人员，帮助工作人员及时处理。传感器-156与 GPS实时连接，更好地获取地理信息。传感器结构如图4所示。图4传感器结构根据图 4 可知，利用陀螺稳定平台框架支撑传感器结构，可见光成像镜头和红外成像镜头分开连接不同的设备，能够同时工作，叠加显示数据信息，以便于更好地显示图像信息13-14。2系统软件设计数据在传输过程中利用传感器成像，因此要分析成像数据的清晰度，相机的最大焦距和像元之间的关系如式（1）所示：=（1）其中，表示得到的摄像机分辨率；表示使用的摄像镜头焦距；表示像元尺寸。景深计算公式如式（2）所示：L=f（2）其中，L表示得到的景深结果；表示拍摄过程出现的弥散圈半径；f表示数据传输之间的距离；表示镜头在拍摄过程中产生的光圈值。数据在传递过程中存在误差，误差计算公式如下：=1-aL（3）其中，表示传递过程产生的误差；a表示容许弥散圆直径；表示测速元件在旋转过程中的姿态角；表示产生的帧频15。在得到数据传递过程产生的误差后，采用调节程序对误差进行校正，通过各项通道实现位置控制，提高系统的工作精度。该文利用数据采集客户端、服务器端以及其他端口配合系统硬件，设计软件程序。双光电力巡查吊舱高速稳定数据传输系统软件工作流程如图5所示。观察图 5可知，首先需要采集数据，选取特定的物理逻辑，实现布局布线；然后将采集的数据打包，根据不同的数据特性生成不同的数据帧结构。根据用户协议完成选择，数据打包可以防止延时过长，降低复杂程度，以串行的方式实现数据传输。封装数据的过程中，能够正确完成识别，如果数据线路的首尾不是开始和结束，需要重新定位检测，分析是否存在差错，并对内部的协议进行扩展。利用数据帧实现打包，检测打包的数据是否存在异常，如果数据不存在异常，则可以直接将信号同步，如果数据存在异常，需要对单路信号进行再次调理，借助传感器输出信号，通过逻辑控制判断信号的传输方式，检测数据是否中断16。如果存在中断，需要同步信号，恢复并行信号，将信号缓存；如果不存在中断，则可以直接解析数据流，完成数据流解析后输出结果。3实验研究为测试该文提出的双光电力巡查吊舱高速稳定数据传输系统的实际应用性能，设计如下实验。双光电力巡查吊舱平均飞行速度为90 km/h，飞行的最大高度可以达到 1 200 m，吊舱运行的最低温度为-20，巡检区域的风速为10 m/s，吊舱在巡检区域的能见度在10 km以上。信号传播方向如图6所示。图6信号传播方向根据图 6可知，信号从吊舱电源流出，最终传入图5系统软件工作流程武 艺，等双光电力巡查吊舱高速稳定数据传输系统-157电子设计工程 2023年第4期检测器。利用 ISE 对数据参数进行设置，得到数据运行的时序如图7所示。图7数据运行时序根据图7可知，该文研究的并行数据位宽为12位，由硬件接收器接收数据，再由发送端输出数据。对比该文系统硬件接收器得到的并行数据和发送端发送的并行数据，可以发现二者完全相同，虽然存在一定的延时时间，但是仅为 90 ns，可见系统在传输数据的过程中延时较小、数据传输精准度较高。为了更好地判断该文提出的系统数据传输精准度，提取发送端与接收端的信号并展开分析，实验结果如图8所示。根据图8可知，该文系统数据在05 000 中递变，并行数据产生相应的波形，接收端波形与发送端波形完全一致。造成这种现象的原因是，该文系统为了使数据在传感器内部能够更好地传输，利用千兆以太网接入光纤滑环技术以及USB3.0接入光纤滑环技术，确保得到的高清照片和红外数据流录像数据能够顺利地在高速链路上传输，提高传输带宽，使设备在高速传输链路上能够更稳定地运行。4结束语该文针对双光电力巡查吊舱设计了一种新的高速稳定数据传输系统，该系统具有很好的传播能力，得到的数据精度更高，同时具有很好的稳定性。该系统虽然在数据传输稳定性、工作效率和精度上进行了优化，但是针对图片分辨率的研究较少，日后将在该方面进一步深入研究。参考文献：1 刘壮,杜勇,陈怡,等.500 kV直流输电线路直线塔无人机巡检安全距离仿真与试验J.高电压技术,2019,45(2):426-437.2 邵瑰玮,刘壮,付晶,等.架空输电线路无人机巡检技术研究进展J.高电压技术,2020,46(1):14-22.3 谭杨磊,王勇智,韩锐,等.面向森林输电线路林火监测的无人机吊舱系统研制J.山西建筑,2020,46(16):194-196.4 田洪宝,轩新想,刘宁宁.机载光电测试吊舱的高速流场改进分析J.电视技术,2020,44(2):25-29,37.5 麦俊佳,郭圣,徐振磊,等.输电线路多旋翼无人机自动驾驶智能巡检系统J.计算机系统应用,2019,6(4):105-110.6 李金,焦新泉,刘东海,等.基于CPCI总线和LVDS的高速数据传输系统的设计J.电子技术应用,2019,45(4):60-63,68.7 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