基于電力巡檢的四旋翼無人機控制系統(tǒng)研究

劉 豫，劉佳鑫，賈云飛，馮愷鵬

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對于電量的需求不斷增加，大量特高壓輸電線路不斷地建造并投入運營，這些電線一般都位于山區(qū)荒漠等人跡罕至的區(qū)域[1-3].傳統(tǒng)的電線檢測效率低，且需要大量勞動力，不能適用于如今日益復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因此，為了使輸電線路檢測向智能化自動化方向發(fā)展，通過無人機搭載航空巡視裝置，對電力系統(tǒng)進行檢測，這種方法相較于傳統(tǒng)的巡檢模式具有效率高、不需要大量勞動力、安全系數(shù)極高、適合野外作業(yè)、使用和維護費用低等優(yōu)點[4-5].為了實現(xiàn)對無人機的控制，讓其實現(xiàn)電力巡檢作業(yè)，設(shè)計了合理的巡檢系統(tǒng)以及四旋翼無人機的控制系統(tǒng)就顯得尤為重要.本文對無人機電力巡檢系統(tǒng)進行研究分析，就其中四旋翼無人機電力巡檢系統(tǒng)設(shè)計了相應(yīng)的控制模塊.

1 基于無人機的電力巡檢系統(tǒng)組成

無人機的巡檢系統(tǒng)由兩部分組成：① 機載巡檢系統(tǒng)；② 地面工作站.其中機載巡檢系統(tǒng)主要由4個分系統(tǒng)組成，包括：無人機、無線通訊裝置、檢測裝置、數(shù)據(jù)管理[6].無人機巡檢系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

地面站系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的指揮中心，其主要任務(wù)就是對無人機進行操控，同時還需要接收由機載巡檢裝置拍攝的圖像信息，并將其實時顯示出來，由地面人員進行監(jiān)控，實時發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中可能存在的問題，并進行維護.

一般情況下，用于電力巡檢系統(tǒng)中的無人機大致可分為兩種：① 固定翼式無人機；② 旋翼式無人機.旋翼式無人機以其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，機動性高，具有垂直起降和懸停能力等眾多優(yōu)點，常被用于電力巡檢系統(tǒng).而旋翼式無人機中又以四旋翼無人機應(yīng)用最為廣泛.

機載無線通信系統(tǒng)接收地面站發(fā)送的控制指令，同時，又將無人機采集到的各種電力線狀態(tài)信息以及無人機自身的位置與姿態(tài)信息發(fā)送給地面站，對于電力巡檢系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)傳輸?shù)臓顟B(tài)信息主要是電線的圖像信息，一般情況下，無線圖像傳輸與位置及姿態(tài)信息傳輸分為兩部分，即圖像傳輸系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以確保檢測設(shè)備拍到的圖像實時傳輸?shù)降孛嬲?

數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)主要是將圖像與電力線預(yù)存的圖像進行對比，保證在地面站無人的情況下，仍能通過圖像數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中已存在的數(shù)據(jù)進行對比，生成報告，檢測電力線中是否存在缺陷，可以提高系統(tǒng)的檢測精度，對故障的查詢以及管理更有益處[7].

2 四旋翼無人機控制系統(tǒng)研究

2.1 控制器設(shè)計

為了研究方便提出以下幾點假設(shè)：① 四旋翼無人機是結(jié)構(gòu)完全對稱的剛體，運動過程中不會發(fā)生彈性形變；② 四旋翼無人機的機翼正交安裝，且?guī)缀沃行?、重心以及機體坐標系的原點重合；③ 四旋翼無人機的4個螺旋槳產(chǎn)生的升力與反扭矩僅與旋翼的轉(zhuǎn)速有關(guān).

基于以上假設(shè)，四旋翼無人機的動力學(xué)模型就成了一個結(jié)構(gòu)對稱且質(zhì)量均勻的6自由度剛體模型，其運動可以分為系統(tǒng)質(zhì)心的平動以及系統(tǒng)繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動.

建立四旋翼動力學(xué)模型：

式中：U1,U2,U3,U4為4旋翼無人機控制系統(tǒng)的4個控制量;l為四旋翼無人機電機轉(zhuǎn)軸距機體中心的距離;K1,K2,K3,K4,K5,K6分別為四旋翼無人機飛行過程中平動與轉(zhuǎn)動時受到的阻尼系數(shù)；d1,d2,d3,d4,d5,d6為系統(tǒng)控制過程中受到的隨機擾動，該擾動有上界，即d<|D|，D為常量.由于四旋翼無人機系統(tǒng)是個典型的欠驅(qū)動非線性系統(tǒng)，因此采用滑模變結(jié)構(gòu)控制器，可以有效地對其進行控制.因此，系統(tǒng)整體控制器如圖2 所示.

圖2 系統(tǒng)整體控制器Fig.2 System integral controller

整個控制系統(tǒng)分為內(nèi)外兩環(huán)進行控制，外環(huán)為位置控制器，內(nèi)環(huán)為姿態(tài)控制器.根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)方程可以得到四旋翼無人機系統(tǒng)各子系統(tǒng)基于滑模變結(jié)構(gòu)控制器的控制律，四旋翼無人機位置控制器控制律為

姿態(tài)控制器控制律為

由于通過姿態(tài)控制系統(tǒng)中ψ子系統(tǒng)單獨的控制律設(shè)計可以實現(xiàn)對ψd的快速跟蹤，因此假設(shè)滿足位置控制律所需的姿態(tài)角為γd,θd，通過式(4)進行求解，得到外環(huán)產(chǎn)生的中間指令信號θd，γd和位置控制系統(tǒng)的控制律U1.

(4)

(5)

式中：v(t)是待微分量;x1是對信號進行跟蹤;x2是信號的一階導(dǎo)數(shù);x3是信號二階導(dǎo)數(shù)的估計量.

由文獻[9，10]可知，在內(nèi)環(huán)控制中，內(nèi)環(huán)系統(tǒng)的跟蹤誤差會對整個閉環(huán)控制系統(tǒng)有較大的影響，因此，為了保證整個閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般通過使內(nèi)環(huán)收斂速度大于外環(huán)收斂速度的方法.本算法中通過調(diào)整內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的增益系數(shù)，保證內(nèi)環(huán)收斂速度大于外環(huán)收斂速度.

對于該四旋翼無人機控制系統(tǒng)，定義Lyapunov函數(shù)

(6)

通過Matlab對該控制器進行仿真，Matlab的Simlink仿真圖如圖3 所示.

圖3 Simlink仿真圖Fig.3 Simulation diagram of simlink

圖4 跟蹤性能仿真圖Fig.4 Tracking performance simulation diagram

從圖4 中可以看出，該算法對于正弦余弦信號以及階躍信號的跟蹤相應(yīng)時間較快，且超調(diào)量較小.

由于在無人機電力檢測過程中，四旋翼無人機很容易受到外界干擾，因此對系統(tǒng)抗干擾能力進行在線仿真，在8 s時給系統(tǒng)未知信號引入一個幅度為2的干擾信號，則系統(tǒng)抗干擾性能如圖5 所示.

圖5 抗干擾性能仿真圖Fig.5 Anti-jamming performance simulation chart

圖5 中可以看出，在系統(tǒng)受到干擾后，四旋翼無人機可以自主地回到目標軌跡，因此在電力檢測過程中，四旋翼無人機在地面無人操控的情況下，受到外界干擾，仍然能夠按照預(yù)期軌跡進行飛行，完成對電力設(shè)施檢測的任務(wù).

綜上，通過對四旋翼無人機設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制器，并用Matlab進行在線仿真，結(jié)果表明該控制器擁有較好的軌跡跟蹤性能，在無外界控制信號輸入時，受到外界干擾后，仍然能夠繼續(xù)跟蹤目標軌跡，完成預(yù)期任務(wù)，因此運用滑?？刂破鞯乃男頍o人機可以很好地完成按照規(guī)定軌跡的電力巡檢任務(wù).

2.2 四旋翼無人機控制系統(tǒng)設(shè)計

四旋翼無人機控制系統(tǒng)采用ARM處理器，ARM處理器是一種低功耗的RISC微處理器，其大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度快，執(zhí)行效率高.本系統(tǒng)中ARM芯片選擇的是STM32F103ZET6，其內(nèi)核是ARM32位的Cortex-M3，最高可達72 MHz 的工作頻率，芯片集成了定時器、ADC，UART，SPI，I2C，CAN等外設(shè).姿態(tài)測量傳感器選用MPU6050，其是一款整合性6軸運動處理組件，相較于其他組件方案，它能免除組合陀螺儀與加速度計時間軸之差的問題，同時也大大減少了封裝空間，它能通過I2C或者SPI端口提供完整的九軸運動融合數(shù)據(jù)輸出.STM32最小系統(tǒng)如圖6 所示.

圖6 STM32最小系統(tǒng)電路圖Fig.6 STM32 minimum system circuit diagram

控制系統(tǒng)接收MPU6050整合的姿態(tài)信息，通過STM32進行控制算法運算，產(chǎn)生電機所用PWM信號，根據(jù)PWM的占空比調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)四旋翼無人機的姿態(tài)，讓無人機按照地面站指令軌跡進行飛行.

由于四旋翼無人機巡檢系統(tǒng)往往需要進行長時間的探查，為了讓無人機在電量耗盡時提前返航，本系統(tǒng)加入了對四旋翼無人機電量檢測功能，對于一般鋰電池，其電壓會隨著其電量的減小而變低，因此可以通過STM32的ADC外設(shè)對電池電壓進行監(jiān)測，以保證讓四旋翼無人機有充足的電量進行返航.STM32控制系統(tǒng)程序流程圖如圖7 所示.

圖7 STM32程序流程圖Fig.7 STM32 program flow chart

3 結(jié)束語

本文為用于電力巡檢的四旋翼無人機設(shè)計控制算法，通過構(gòu)造Lyapunov函數(shù)，證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并通過Matlab的Simlink仿真功能，驗證了該算法擁有較優(yōu)異的軌跡跟蹤性能，以及受到干擾后快速恢復(fù)原軌跡功能.通過使用STM32與MPU6050設(shè)計了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，通過PWM波控制電機轉(zhuǎn)速，從而達到讓四旋翼無人機按照目標軌跡飛行的目的，從而完成電力巡檢的任務(wù).