小型無人直升機電力巡檢仿真環(huán)境設(shè)計與實現(xiàn)?

劉國松 唐 帥 楊 李

（1.陸軍勤務(wù)學院軍事設(shè)施系 重慶 401331）（2.陸軍勤務(wù)學院軍事物流系 重慶 401331）

1 引言

作為全國大電網(wǎng)主骨架的特、超高壓輸電線路，其覆蓋地域廣、環(huán)境地形復雜惡劣，極易受極端氣象條件和地質(zhì)災(zāi)害的影響，導致電力故障。同時，輸電線和電力桿塔長時間暴露在野外，容易受自然環(huán)境等外界因素的影響，導致輸電線斷股、金具腐蝕、絕緣子損壞、桿塔變形等故障的出現(xiàn)，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)并排除隱患，極有可能導致嚴重的電力事故，危害電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，需要對輸電線路進行定期的巡檢，及時發(fā)現(xiàn)和排除故障。目前的巡檢方式主要為人工巡檢。人工巡檢距離長，步行緩慢，效率不高；在高山、湖泊、沼澤等地形下巡檢難度大；冰雪、洪水、地震、滑坡等災(zāi)害條件下巡檢困難；不易發(fā)現(xiàn)線路桿塔瓶口及以上部位缺陷。同時，由于輸電線路的急劇增長，人工巡檢的結(jié)構(gòu)性缺員已經(jīng)超過30%［1］。

無人機巡檢為解決上述問題提供了一個有效的解決途徑。無人機巡檢相比于人工巡檢有著巨大的優(yōu)勢［2］：1）避免了人工巡檢工程中人員面臨的災(zāi)害、環(huán)境等威脅，確保人員的安全。2）受地形限制小。巡檢效率大大提高，即使是在各種自然災(zāi)害條件下，仍然能夠進行巡檢。3）能夠發(fā)現(xiàn)人工巡檢難以發(fā)現(xiàn)的問題，巡檢效果大大提升。因此，無人機巡檢在電力巡檢中具有無可比擬的優(yōu)勢。無人機巡檢除了正常的巡視外，對發(fā)生故障的電力線路還可以快速地進行故障定位。另外，在發(fā)生自然災(zāi)害的地區(qū)，還可以進行相關(guān)的特殊巡視。隨著無人機技術(shù)的研發(fā)和實踐應(yīng)用，無人機巡檢已經(jīng)發(fā)展成一種高效、低成本、低風險的空中巡檢技術(shù)，成為解決輸電線路智能巡檢的重要手段之一。

進行無人機電力巡檢仿真試驗可為未來的研發(fā)工作提供合理的參考數(shù)據(jù)，降低研發(fā)成本，并推進未來無人機電力巡檢研究工作。目前，國內(nèi)使用的無人直升機仿真實驗平臺有Matlab、FlightGear、OSG及 OpenGL［3］等，仿真目的主要集中在無人直升機控制系統(tǒng)研制［4］、無人機的飛行穩(wěn)定性能檢測、無人直升機飛行仿真動力學建模和程序開發(fā)［3］、無人直升機建模方法和控制算法檢驗［4］和地面通信平臺搭建［5］等無關(guān)電力巡檢的領(lǐng)域。有一些仿真實驗運用軟件比較陳舊或者只是反應(yīng)直升機的動態(tài)響應(yīng)特性，更有基于系統(tǒng)識別的無人機控制器研究［6］、電子增穩(wěn)系統(tǒng)設(shè)計［7］、自抗擾控制研究［8］和高壓線路巡檢機器人［9］的設(shè)計方案等，但無人直升機電力巡檢仿真實驗并未有相關(guān)文獻進行具體研究。

本文考慮無人直升機的電力巡檢過程，利用Matlab軟件建立基本的無人直升機運動學模型及控制系統(tǒng)；考慮無人直升機以及電力桿塔的相關(guān)參數(shù)，采用SolidWorks軟件建立1∶1模型，并導入V-Realm Builder2.0設(shè)計的地理環(huán)境模型中；最后采用Simulink軟件，實現(xiàn)無人直升機的電力巡檢仿真。

2 無人直升機運動學模型及控制系統(tǒng)設(shè)計

無人直升機電力巡檢仿真需要根據(jù)其運動學模型建立相關(guān)的控制系統(tǒng)。本節(jié)介紹了無人直升機主旋翼力和尾旋翼的力和力矩模型，并給出了無人直升機的剛體模型。最后，在Matlab軟件中構(gòu)建了無人直升機的控制系統(tǒng)。

2.1 主旋翼力和力矩模型

無人直升機主槳的力分量可以表示為

其中Xm、Ym、Zm分別表示為無人直升機受到的朝機頭、右側(cè)機翼和機腹的力；Tm為主槳拉力；a和b分別表示主旋翼槳尖平面的縱向和橫向揮舞角。

主槳力矩方程可以表示為

主旋翼的扭矩可以表示為

Pm為主旋翼總功率，由下式計算：

其中，Pp為槳葉型阻功率；Pi為誘導功率；Ps為機身寄生功率；Pc為直升機爬升功率主旋翼拉力模型：

其中

bm表示主槳片數(shù)，wb表示主槳處的垂向合成速度，θcol表示控制輸入（含一階傳遞函數(shù)）。

2.2 尾旋翼力和力矩模型

尾旋翼拉力：

尾旋翼的主要作用力為Yt，Xt和Zt可以忽略不計。

尾旋翼力方程可簡化為

尾旋翼力矩方程可簡化為

2.3 剛體模型

無人直升機的剛體模型可由牛頓-歐拉方程表示：

在Matlab軟件中的控制框圖如圖1所示。

圖1 無人直升機模塊框架圖

無人直升機的控制輸入為直升機當前的狀態(tài)量Actuators和周圍的環(huán)境變量Environment。最終通過控制系統(tǒng)得到一系列的控制變量。

無人機飛行控制仿真系統(tǒng)主要由六個部分組成：無人機模型、飛行控制模塊、信號發(fā)生器、傳感器模塊、飛行環(huán)境模塊及信號輸出和飛行可視化模塊［10］。設(shè)計框架如圖2所示。

圖2 無人機飛行控制模型整體架構(gòu)

3 仿真環(huán)境設(shè)計

無人直升機的電力巡檢仿真，需要通過控制算法使無人直升機在仿真環(huán)境中完成電力巡檢［12］。飛行仿真實驗通?？梢苑譃閿?shù)字仿真［13］和半實物仿真［14］。半實物仿真要求使用軟件反應(yīng)實物飛行過程數(shù)據(jù)，數(shù)字仿真則是一種不需要任何一種實物的仿真。因為半實物仿真驗證涉及大量的硬件環(huán)境，會大大影響飛行控制中的驗證效率，所以本文采用Matlab環(huán)境下的可視化工具包Simulink實現(xiàn)無人機全過程飛行數(shù)字仿真，有助于在設(shè)計初期減少錯誤，優(yōu)化控制和導航方法，對控制律設(shè)計也具有非常重要的意義，無人機和電力傳輸模型的建立既是為數(shù)字仿真所設(shè)計。

3.1 無人直升機仿真模型設(shè)計

本文采用雷虎-90直升機作為仿真模型設(shè)計對象，以便與后期的實物實驗緊密結(jié)合。該無人直升機的主旋翼槳比常規(guī)直升機的剛度更強，采用無鉸鏈式旋翼頭，靠根部的彈性段來產(chǎn)生主旋翼的揮舞運動，使得系統(tǒng)能夠產(chǎn)生較大的控制力矩，具有較快的時間響應(yīng)［11］。其基本參數(shù)如表1：

表1 雷虎-90基本參數(shù)

本文采用SolidWorks軟件設(shè)計雷虎90無人直升機的機械結(jié)構(gòu)。設(shè)計思路是先新建模板，再通過設(shè)計無人直升機的三視平面圖，在對每個線條定義尺寸使之完全定義，不是完全定義的線條在拉伸成為零件后將出現(xiàn)定義錯誤，在完全定義后對三視圖進行拉伸或者旋轉(zhuǎn)，進行零件曲面的設(shè)計，包括曲面曲率、曲率半徑和中心位置選取。對無人直升機的每一個零件都要先進行三視圖的平面設(shè)計，再拉伸為空間零件形式。零件設(shè)計完成后，要對零件之間建立配合關(guān)系，配合關(guān)系參照無人直升機的實體模型雷虎-90，配合關(guān)系完成后查看設(shè)計樹的形成是否有誤，對表征出錯的紅色配合要進行檢查更改以形成正確的零件配合關(guān)系，零件配合關(guān)系會影響無人直升機仿真模型的仿真效果，例如飛行控制效果、飛行控制命令的反應(yīng)速度等，設(shè)計完成后保存零件及其裝配體格式，無人直升機設(shè)計作品三視圖如圖3。

3.2 電力桿塔仿真模型設(shè)計

輸電線路鐵塔簡稱輸電鐵塔，按其形狀一般分為：“酒杯”型、“貓頭”型、“上”字型、“干”字型和“桶”型五種［15］，按用途分有：耐張塔、直線塔［16］、轉(zhuǎn)角塔、換位塔、終端塔和跨越塔等，它們的結(jié)構(gòu)特點是各種塔型均屬空間桁架結(jié)構(gòu)，桿件主要由單根等邊角鋼或組合角鋼組成，材料一般使用Q235（A3F）和Q345（16Mn）兩種，桿件間連接采用粗制螺栓，靠螺栓受剪力連接，整個塔由角鋼、連接鋼板和螺栓組成，個別部件如塔腳等由幾塊鋼板焊接成一個組合件，因此熱鍍鋅防腐、運輸和施工架設(shè)極為方便。對于高度在60m以下的鐵塔，規(guī)范要求在鐵塔的其中一根主材上設(shè)置腳釘，以方便施工作業(yè)人員登塔作業(yè)。直線塔是輸電線路最常用的一種塔型，也叫過線塔。在輸電線路中直線塔一般用來承受導線的重力，即垂直荷載。常見直線塔型有“干”字型、“杯”型、“貓頭”型等。此次設(shè)計是110KV直線型“干”字形塔。

為使線路能安全、穩(wěn)定地運行，鐵塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足如下的功能要求：能承受正常施工和正常運行時可能出現(xiàn)的各種工況下的荷載。在正常使用時具有良好的工作性能。正常維護下具有足夠的耐久性能，在偶然事件發(fā)生及發(fā)生后，仍能保持必須的整體穩(wěn)定。鋼管的圓截面的空氣動力學性能好，受力各向同，截面抗彎剛度大。輸電鐵塔采用鋼管構(gòu)件，不但可以減小塔身風載荷，還能充分均衡地發(fā)揮材料的性能，減小桿件長度，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，特別是對于結(jié)構(gòu)幾何尺寸較大、桿件較長的大型鐵塔，這種優(yōu)越性更為明顯。在壓彎構(gòu)件中，在同時滿足穩(wěn)定的條件下，鋼管的截面要比角鋼省35%左右，而且在承受風荷載時，鋼管的體型系數(shù)僅為相應(yīng)角鋼體型系數(shù)的0.6倍～0.8倍，且擋風面積較角鋼小20%～40%。根據(jù)大量的參考文獻，在一定塔身坡度時，當鋼管塔相對于角鋼塔的重量減小超過20%時，鋼管塔比角鋼塔造價低，本文采用鋼管塔。利用Solidworks軟件設(shè)計得到電力桿塔仿真模型如圖4。

圖4 電力桿塔模型

3.3 環(huán)境搭建

三維仿真場景分別由無人直升機仿真模型和電力傳輸仿真模型兩大塊在SolidWorks2014中組成，再導出wrl格式文件導入Matlab2017的虛擬場景編輯器V-Realm Builder 2.0進行一些環(huán)境調(diào)整［17］，例如添加背景、地面、天空等元素并對其幾何形狀和顏色等特征進行編輯，其中對設(shè)計樹中的控制變量要設(shè)計相應(yīng)的初始參數(shù)，對常量也要設(shè)置最終確定的參數(shù)值，最終得到三維仿真環(huán)境如圖5。

圖5 環(huán)境模型

4 仿真分析

仿真在Intel 2.5 GHz主頻，4 GB內(nèi)存的普通筆記本電腦上使用Matlab R2016a版本進行。

本次仿真實驗旨在驗證仿真模型的合理性和仿真系統(tǒng)的可行性，在試驗飛行過程中，無人直升機控制響應(yīng)正常，并且外界能通過外部的操縱器或者預先制定的飛行命令對無人直升機進行飛行控制，可利用機上所裝載的攝像機視角很好地觀察電力三維仿真環(huán)境，包括對電力塔的近距離觀察。無人機能正常地實現(xiàn)起飛、巡檢、降落，說明無人直升機的機械模型和仿真模型的建立合理正確，控制無人機的六個自由度方程通過實際驗證，整個仿真系統(tǒng)的設(shè)計是科學可行的。在實際電力巡線中，如果在無人直升機上裝載高清攝像機便可對電力傳輸網(wǎng)由直接的檢查分析，對于大型輸電網(wǎng)絡(luò)的電力巡檢工作，無人直升機的電力巡檢能做到安全性和可靠性二者相結(jié)合。

建立無人直升機仿真平臺后，點擊運行仿真模型，無人直升機開始按預定指令開始飛行，飛行過程觀察視野通過鼠標拖動選擇預先設(shè)置的各個視角，可觀察電力網(wǎng)情況，圖6是無人機的飛行姿態(tài)和電力塔的巡檢觀察視圖。

圖6 巡檢效果圖

在無人直升機的整個仿真飛行過程中姿態(tài)控制器的三個姿態(tài)角（偏航角yaw、俯仰角pitch、滾轉(zhuǎn)角roll）變化稍大，經(jīng)過增益調(diào)節(jié)后可提高控制信號的信噪比并降低信號失真，偏航角輸入、俯仰角輸入、滾轉(zhuǎn)角信號的輸入及調(diào)節(jié)前后姿態(tài)角信號的對比如圖7～10。

圖7 偏航角Yaw輸入信號

圖8 俯仰角Pitch輸入信號

圖9 滾轉(zhuǎn)角Roll輸入信號

圖10 調(diào)節(jié)后滾轉(zhuǎn)角Roll輸入信號

5 結(jié)語

本文利用Matlab/Simulink、SolidWorks等軟件，搭建了電力巡檢無人機仿真模型，并設(shè)計了控制系統(tǒng)。通過仿真實驗，驗證了所搭建的模型和設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠完成基本的巡檢要求。為更低成本、高效率開發(fā)無人直升機電力巡檢系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。