基于GPS導(dǎo)航無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 勇

基于GPS導(dǎo)航無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 勇

南京中設(shè)航空科技發(fā)展有限公司，江蘇 南京 210000

分析了無(wú)人機(jī)的飛行原理，闡述了無(wú)人機(jī)巡查作業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃，最后結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)與大量資料文獻(xiàn)，圍繞基于GPS導(dǎo)航視角，對(duì)無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究探討，旨在提升無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。

GPS導(dǎo)航；無(wú)人機(jī)；巡線(xiàn)指揮系統(tǒng)

1 剖析無(wú)人機(jī)的飛行原理

本文涉及的無(wú)人機(jī)為四旋翼無(wú)人機(jī)。該無(wú)人機(jī)飛行需同時(shí)控制4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)拉力變化。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)槳葉除了會(huì)產(chǎn)生巨大拉力外，還會(huì)產(chǎn)生相反扭矩，而為了消除反矩力，要求把無(wú)人機(jī)前后與左右電機(jī)進(jìn)行對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，并保證轉(zhuǎn)速相同。結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，四旋翼無(wú)人機(jī)整個(gè)的飛行環(huán)節(jié)可被分成垂直升降運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖1）、前后俯仰運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖2）、左右翻滾運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖3）、水平偏航運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖四）等4部分。

圖1 垂直升降運(yùn)動(dòng)示意圖

圖2 前后俯仰運(yùn)動(dòng)示意圖

圖3 左右翻滾運(yùn)動(dòng)示意圖

圖4 水平偏航運(yùn)動(dòng)示意圖

2 解讀無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃

2.1 把控關(guān)鍵技術(shù)

輸電線(xiàn)路無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的巡檢系統(tǒng)，涉及的內(nèi)容較多，GPS自動(dòng)化巡檢、飛行數(shù)據(jù)通信、巡檢圖像分析處理、無(wú)人機(jī)控制和巡檢地理坐標(biāo)等內(nèi)容均包含于其中。結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，可將無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)分成地面監(jiān)控平臺(tái)、飛行器、信息傳輸系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)等4部分（見(jiàn)圖5）。其中，最關(guān)鍵的技術(shù)是無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)控制技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和GPS導(dǎo)航技術(shù)[1]。

圖5 無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)構(gòu)成圖

2.2 有效分類(lèi)與選取

首先是巡檢內(nèi)容分類(lèi)。可將輸電線(xiàn)路巡檢內(nèi)容劃分成兩部分：一部分為輸電線(xiàn)路的線(xiàn)路走廊檢測(cè)；一部分為輸電線(xiàn)路的桿塔部件檢測(cè)。第一部分所包含的內(nèi)容有兩種：一種為線(xiàn)路障礙；一種為線(xiàn)路故障。第一種囊括了線(xiàn)路內(nèi)存在物體懸掛（如鳥(niǎo)巢）、危險(xiǎn)建筑或超高樹(shù)木等情況；第二種囊括了間隔棒斷開(kāi)或?qū)У鼐€(xiàn)脫股等安全問(wèn)題。因輸電線(xiàn)路有著范圍寬、跨度大等特性，因而對(duì)巡檢無(wú)人機(jī)的要求較高，除飛行速度快外，還要求續(xù)航和懸停時(shí)間長(zhǎng)。

此外，輸電線(xiàn)路桿塔主要包含了防震錘、絕緣子、線(xiàn)夾和金具等檢測(cè)部件，因絕緣子長(zhǎng)時(shí)間裸露在戶(hù)外，歷經(jīng)風(fēng)吹日曬，便容易出現(xiàn)破損、自爆、閃絡(luò)痕跡等問(wèn)題。

其次選擇適宜機(jī)型。無(wú)人機(jī)自帶動(dòng)力裝置，既可通過(guò)地面遙控來(lái)控制設(shè)備，又可根據(jù)智能化程序設(shè)定來(lái)控制飛行，加之具備固定翼展，因而可以被反復(fù)利用?？茖W(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，極大地提升了無(wú)人機(jī)的作業(yè)能力、飛行距離和飛行高度，相應(yīng)地在各工業(yè)領(lǐng)域中也獲得了更加廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前應(yīng)用最多的無(wú)人機(jī)類(lèi)型有固定翼無(wú)人機(jī)和旋翼無(wú)人機(jī)。前者相對(duì)后者來(lái)講，具備維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且飛行速度快等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)在于存在一定結(jié)構(gòu)缺陷，難以實(shí)現(xiàn)空中懸停，飛行轉(zhuǎn)彎的弧度較大，對(duì)飛降落場(chǎng)的要求較高；后者雖結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但可通過(guò)智能程序設(shè)定或遙控裝置進(jìn)行控制，且對(duì)起飛與降落的場(chǎng)地沒(méi)有過(guò)多要求，隨時(shí)可實(shí)施空中懸停操作，但因攜帶大量設(shè)備，因而后續(xù)維護(hù)費(fèi)較高。

2.3 分析無(wú)人機(jī)的巡線(xiàn)路徑

應(yīng)用無(wú)人機(jī)巡檢整個(gè)作業(yè)，其前提在于擬定一個(gè)合理的飛行路徑規(guī)范。在保障作業(yè)安全的基礎(chǔ)上，穩(wěn)步提升巡檢工作質(zhì)量與效率。具體說(shuō)來(lái)，無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)飛行線(xiàn)路是連續(xù)的。因此在規(guī)劃路徑時(shí)，應(yīng)離散化路徑，且在離散環(huán)節(jié)考慮無(wú)人機(jī)飛行的約束條件，即考慮安全性、可行性、高效性等內(nèi)容[2]。

2.4 具體的巡檢流程

作為新的一種巡檢技術(shù)，無(wú)人機(jī)巡檢當(dāng)前還處在試驗(yàn)階段，因而其中存在著很多問(wèn)題需要解決，且就整個(gè)的巡檢作業(yè)來(lái)講，還未形成統(tǒng)一規(guī)范。結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)這部分內(nèi)容應(yīng)從作業(yè)前的準(zhǔn)備、無(wú)人機(jī)起飛、巡檢工作、圖像視頻傳輸、圖像處理等內(nèi)容進(jìn)行。此外，針對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)的安全距離控制應(yīng)遵循表1。

3 基于GPS導(dǎo)航的無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 構(gòu)建指揮平臺(tái)系統(tǒng)框架

基于GPS導(dǎo)航視角確立指揮平臺(tái)系統(tǒng)框架。具體來(lái)講，需從起飛前的準(zhǔn)備—通信控制—數(shù)據(jù)接收—數(shù)據(jù)顯示—數(shù)據(jù)存儲(chǔ)—數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容出發(fā)進(jìn)行考慮。

3.2 設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的起飛準(zhǔn)備模塊

設(shè)計(jì)準(zhǔn)備作業(yè)模塊應(yīng)從如下內(nèi)容進(jìn)行：

首先，收集巡檢作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)包含著的場(chǎng)景信息，如金具型號(hào)、輸電線(xiàn)路等級(jí)、導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)、桿塔型號(hào)、輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)分裂數(shù)和絕緣子片數(shù)等。根據(jù)這些信息便可以確定巡檢環(huán)節(jié)拍攝到的信息準(zhǔn)確度。

其次，掌握作業(yè)地點(diǎn)的天氣狀況和地理環(huán)境，如氣溫、橫風(fēng)、區(qū)域坐標(biāo)信息和風(fēng)向等。

最后，再次確認(rèn)作業(yè)環(huán)境，確保無(wú)人機(jī)作業(yè)安全，保證作業(yè)質(zhì)量。

3.3 設(shè)計(jì)GPS導(dǎo)航模塊

首先，掌握坐標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)行投影變換。這是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)巡檢工作中掌握的飛行坐標(biāo)信息應(yīng)及時(shí)向地面指揮系統(tǒng)反饋，使其能根據(jù)坐標(biāo)實(shí)況明確作業(yè)內(nèi)容。

其次，確立導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式，待GPS接收機(jī)更新具備兩種數(shù)據(jù)輸出功能后，即NMEA0183和二進(jìn)制格式，便需要依據(jù)巡檢實(shí)況選擇最適宜的數(shù)據(jù)輸出格式。一般而言，前一種格式涉及的數(shù)據(jù)幀由幀頭、內(nèi)部數(shù)據(jù)和幀尾組成。不同數(shù)據(jù)幀定義決定了不同幀頭定義。

然后，提取導(dǎo)航數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖6）。

最后，顯示導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

圖6 導(dǎo)航數(shù)據(jù)提取示意圖

4 總結(jié)

綜上所述，科技水平迅猛發(fā)展，無(wú)人機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域逐步擴(kuò)大。為了更好地掌握無(wú)人機(jī)技術(shù)，本文基于GPS導(dǎo)航視角，對(duì)無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了分析探討。

[1]鄧榮軍.基于GPS導(dǎo)航無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2015.

[2]聶志彪.小型無(wú)人機(jī)導(dǎo)航與制導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

Design of Unmanned Aerial Vehicle Patrol Line Command System Based on GPS Navigation

Wang Yong

Nanjing Central Aeronautical Science and Technology Development Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 210000

The paper analyzes the principle of flight of UAV, and expounds the system design without planning man-machine inspection operations. Combined with years of work experience and a lot of information, around GPS navigation based on the perspective of the UAV patrol command system design are discussed, in order to enhance the design level of man-machine patrol command system.

GPS navigation; unmanned aerial vehicle; patrol line command system

V249.3

A

1009-6434（2017）9-0088-03