電力巡檢特殊應(yīng)用環(huán)境中無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫小霞

【摘 要】無(wú)人機(jī)現(xiàn)如今對(duì)大眾來(lái)說(shuō)已經(jīng)不再是新鮮事物，在無(wú)人機(jī)被推向商業(yè)化熱潮以后，特殊行業(yè)對(duì)無(wú)人機(jī)操作的形式高度關(guān)注了起來(lái)。特別是如今國(guó)內(nèi)的高壓電網(wǎng)線路巡檢上也對(duì)此十分重視，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)能讓整個(gè)高壓電力巡檢工作的效率得到大幅度提升。為了確保無(wú)人機(jī)電力巡檢工作的高效且穩(wěn)定，相關(guān)工作人員對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的操作環(huán)境進(jìn)行了相應(yīng)的研究設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī);控制系統(tǒng);環(huán)境;電力巡檢

中圖分類號(hào)： TP273;V249;V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）26-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.26.006

【Abstract】Uav is no longer a new thing for the public.After the commercialization of uav，special industries pay close attention to the operation of uav.Especially nowadays，the inspection of high-voltage power grid lines in China also attaches great importance to this，because drones can greatly improve the efficiency of the whole inspection of high-voltage power.In order to ensure the efficiency and stability of uav power patrol inspection，relevant staff have studied and designed the operating environment of uav flight control system.

【Key words】Uav;Control system;The environment;Electric power inspection

0 引言

電力安全巡檢采用無(wú)人機(jī)操作，重點(diǎn)是對(duì)特高壓和高壓部分進(jìn)行應(yīng)急處置以及日常的安全維護(hù)，是對(duì)無(wú)人機(jī)傳感器電力巡檢系統(tǒng)的裝備研究，把無(wú)人機(jī)安全巡檢作業(yè)在復(fù)雜的地形及環(huán)境中完美的完成，從而對(duì)我國(guó)電網(wǎng)安全以及高壓巡檢的發(fā)展起到輔助作用。目前根據(jù)無(wú)人機(jī)工作的環(huán)境和操作的平臺(tái)，將無(wú)人機(jī)傳感器系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)把控限制的十分嚴(yán)格，力求能提高其精度，降低其功耗，使其啟動(dòng)的更快并且更具有可靠性。

1 無(wú)人機(jī)電力巡檢的意義以及背景

撲翼、旋翼以及固定翼三種類型是無(wú)人機(jī)最常見(jiàn)的分類，這三種類型中的旋翼又被區(qū)分為多旋或是單旋。在眾多種類中，由于多旋無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)與控制靈活的特性，并且能定點(diǎn)懸停在空中，操作上十分簡(jiǎn)便，而效率也比其他類型的無(wú)人機(jī)要高出不少，因此是各領(lǐng)域首選的研究機(jī)型。而且就目前的狀態(tài)來(lái)看，多旋無(wú)人機(jī)在各領(lǐng)域所發(fā)揮的作用是十分巨大并且非常有意義的。首先在農(nóng)林業(yè)噴灑藥物上就得到很大的認(rèn)可，畢竟使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑會(huì)更加均勻，能充分利用好農(nóng)藥達(dá)到更高的防治效果，從而減少了不少農(nóng)藥的浪費(fèi)并降低了成本。而在地理測(cè)繪方面，也能做到更精準(zhǔn)的定位與繪制，三維建模等相對(duì)復(fù)雜的部分也能完成的更出色。更不用說(shuō)是在電力方面發(fā)揮的作用了。相關(guān)人員對(duì)電力巡檢環(huán)境與地理的特殊性對(duì)多旋無(wú)人機(jī)進(jìn)行了針對(duì)性的研究與改進(jìn)，使無(wú)人機(jī)通過(guò)自身裝備的GPS和照相機(jī)來(lái)自定位完成線路的巡檢，還將巡檢的內(nèi)容全程拍攝并傳送回相關(guān)人員處。這樣相關(guān)人員就能通過(guò)照片和影響就能對(duì)線路存在的問(wèn)題進(jìn)行分析與生成解決方案，并針對(duì)方案盡快將問(wèn)題進(jìn)行處理。這樣不僅很大程度的節(jié)省了線路巡檢時(shí)間，還將人工巡檢的各種安全隱患的發(fā)生最大化的降低。

2 無(wú)人機(jī)作業(yè)的現(xiàn)狀以及存在的部分問(wèn)題

在多旋飛行器的研究上國(guó)內(nèi)涉足的相比其他國(guó)家晚了不少，但是發(fā)展的步伐十分穩(wěn)定且迅速?，F(xiàn)如今除了各大高校開(kāi)始涉足無(wú)人機(jī)的研究之外，無(wú)人機(jī)公司也逐漸多了起來(lái)。即使人們非常注重?zé)o人機(jī)的研究與改進(jìn)，其在各領(lǐng)域發(fā)揮的作用也巨大無(wú)比，但還是難免存在著一些不足之處。就像無(wú)人機(jī)在進(jìn)行電力巡檢的過(guò)程中，如果電磁磁場(chǎng)因環(huán)境的復(fù)雜導(dǎo)致不穩(wěn)定，無(wú)人飛行器的磁力計(jì)也會(huì)受到很大的影響，便無(wú)法保證無(wú)人機(jī)在線路巡檢過(guò)程中的安全性。還有就是飛行器運(yùn)行速度相對(duì)較高，所以慣性自然非常大，因此在避障方面的難度是不小的，這避障方面的問(wèn)題得不到解決，自然就會(huì)將無(wú)人機(jī)巡航的危險(xiǎn)升高，因此對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)避障以及主動(dòng)屏蔽錯(cuò)誤指令的研究就顯得十分關(guān)鍵。因此要根據(jù)操作環(huán)境與無(wú)人機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究改進(jìn)，從而使無(wú)人機(jī)在各領(lǐng)域使用過(guò)程中，各項(xiàng)指標(biāo)與最終成果更加的成熟和穩(wěn)健起來(lái)。

3 多旋無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)主要有三大部分，分別是飛行控制系統(tǒng)以及動(dòng)力、機(jī)械系統(tǒng)。其中飛行控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)進(jìn)行線路巡檢是最主要的部分，這部分對(duì)無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于大腦對(duì)人類的作用。目前飛行控制系統(tǒng)有公司或者學(xué)者們開(kāi)源的飛控，還有就是商業(yè)公司進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來(lái)的飛控。而無(wú)人機(jī)機(jī)械系統(tǒng)指的就是機(jī)身以及起落架等肉眼可觀，雙手可觸碰的各個(gè)部分了。此外動(dòng)力系統(tǒng)就是無(wú)人機(jī)的電子調(diào)試器和電機(jī)等等。但除了這些，在無(wú)人機(jī)進(jìn)行電力巡檢的過(guò)程中主要依仗的是飛行平臺(tái)系統(tǒng)以及多傳感器系統(tǒng)，還有需要依靠可視化系統(tǒng)以及走廊三維建模等系統(tǒng)的組合，通過(guò)這些系統(tǒng)的程序運(yùn)作與數(shù)據(jù)調(diào)換以及外部數(shù)據(jù)的獲取、調(diào)換的設(shè)置，來(lái)完成巡檢工作。在進(jìn)行巡檢工作的時(shí)候，無(wú)人飛行器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能否如實(shí)準(zhǔn)確地采集到載機(jī)運(yùn)行的信息，是對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢能否更高效工作產(chǎn)生直接影響的，為此在光纖IMU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了反復(fù)研究測(cè)試。目的是使其在采集與傳輸工作中能更加準(zhǔn)確高效地完成。

4 無(wú)人飛行器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)模式

無(wú)人機(jī)在巡檢工作中能夠平穩(wěn)安全的飛行，并把相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取和準(zhǔn)確的運(yùn)輸?shù)皆搨魉偷牡胤饺?，是離不開(kāi)飛行控制系統(tǒng)的運(yùn)作的。而飛行控制系統(tǒng)又是依靠傳感器來(lái)進(jìn)行信息的采集與反饋。就是因?yàn)檎麄€(gè)無(wú)人機(jī)的各系統(tǒng)與模塊聯(lián)系地如此緊密，一旦有其中一部分出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)無(wú)人機(jī)的工作出現(xiàn)偏差，甚至出現(xiàn)不安全事件，因此要對(duì)無(wú)人機(jī)的各項(xiàng)系統(tǒng)程序與模塊進(jìn)行研究，根據(jù)環(huán)境與工作的需求進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。就像其中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作，主要就是數(shù)據(jù)同步、采集與傳送這樣一個(gè)運(yùn)行模式。為了達(dá)到在短時(shí)間內(nèi)的高精確度要求，就需要對(duì)慣性系統(tǒng)進(jìn)行更精確以及更高頻的研究改良，這其中可編程的邏輯器件便是最佳選擇。因其不僅核心率高，運(yùn)行速度也極高，對(duì)高頻信號(hào)的采集可以輕松完成，能夠大規(guī)模地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而且其可以并行運(yùn)行內(nèi)部的程序，并將多種不同任務(wù)進(jìn)行同步的處理，并將數(shù)據(jù)采樣的速率提高了上去。與此同時(shí)，硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)PCB板設(shè)計(jì)，因?yàn)槠淇煽恳约办`活性也是很強(qiáng)，所以FPGA軟件常被應(yīng)用為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心點(diǎn)。

5 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件與硬件

5.1 FPGA脈沖采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

光纖慣性組件中的光纖陀螺和溫度輸出等結(jié)構(gòu)是屬于脈沖信號(hào)部分，因此必須要通過(guò)FPGA的計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的采集工作。畢竟脈沖信號(hào)的采集先獲得了實(shí)現(xiàn)，再將溫度與加速度計(jì)信號(hào)等通過(guò)通用串口的形式與上位機(jī)進(jìn)行輸出通信，才能使上位機(jī)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與采集通過(guò)相應(yīng)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。而其中小應(yīng)用系統(tǒng)中還包含些許問(wèn)題，也就是熟知的配置電阻以及電源、儲(chǔ)存器等問(wèn)題也需要被關(guān)注。

5.2 溫度采集方面的電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的部分就是溫度采集線路，因其光纖IMU對(duì)于溫度上的感知十分靈敏，畢竟慣性儀表的標(biāo)度因數(shù)以及零偏會(huì)跟隨環(huán)境的溫度變化而改變，并能對(duì)器件的輸出精度造成最直接的影響。也就是以說(shuō)不管是地勢(shì)的高低險(xiǎn)峻還是四季環(huán)境溫度的變化，都會(huì)引起無(wú)人機(jī)進(jìn)行電路安全巡檢時(shí)內(nèi)部溫度的轉(zhuǎn)變，對(duì)數(shù)據(jù)輸出的精確度也造成了不小的影響。因此就要將采集數(shù)據(jù)板以及加速度計(jì)等周邊環(huán)境的溫度進(jìn)行控制，還要做好軟件在進(jìn)行工作處理時(shí)的溫度補(bǔ)償。

5.3 無(wú)人飛行器數(shù)據(jù)通信的電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)輸出與時(shí)間同步模塊同屬于數(shù)據(jù)輸出的部分，其中將加速度計(jì)以及陀螺數(shù)據(jù)如實(shí)并精準(zhǔn)的傳送給上位機(jī)的部分就是數(shù)據(jù)輸出模塊的職責(zé)，而GPS和IMU的時(shí)間同步，以及將GPS里的PPS秒脈沖當(dāng)作基本的是時(shí)間參考發(fā)送給IMS，再將IMS的IPS進(jìn)行同步輸出來(lái)確保兩者數(shù)據(jù)的同步性工作就隸屬于時(shí)間同步模塊。而時(shí)間以RS422接口形式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信電路的就是時(shí)間模塊的工作，其采用的ASCII碼形式把加速度計(jì)以及溫度數(shù)據(jù)用串行接口跟上位機(jī)對(duì)接起來(lái)，然后上位機(jī)會(huì)使用其數(shù)據(jù)采集軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上的儲(chǔ)存、接受及解碼。另一方面通訊電路則是由發(fā)送還有波特率產(chǎn)生相結(jié)合運(yùn)作。其中波特率產(chǎn)生使分頻生成通信所需的波特率是要通過(guò)外接25MHz的無(wú)源晶振來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而連同波特率時(shí)鐘一起實(shí)現(xiàn)。而其中的發(fā)送模塊是以RS422采用相應(yīng)的芯片來(lái)保持GPS的時(shí)間同步，并依靠IMU來(lái)將所有數(shù)據(jù)運(yùn)輸?shù)缴衔粰C(jī)中，以此來(lái)確保數(shù)據(jù)的傳輸與接受的準(zhǔn)確、可靠和高效性。

5.4 復(fù)雜環(huán)境磁場(chǎng)的抗磁性設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

無(wú)人機(jī)發(fā)展的勢(shì)頭越是迅猛，對(duì)其高效與安全方面的要求就越是嚴(yán)格。但是由于高壓與超高壓線路周圍的磁場(chǎng)會(huì)根據(jù)地勢(shì)環(huán)境與溫度的改變而造成不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象又對(duì)無(wú)人機(jī)磁力計(jì)造成直接的影響，會(huì)容易影響解算結(jié)果使無(wú)人機(jī)無(wú)法順利運(yùn)行。因此，現(xiàn)階段只能搭載相機(jī)結(jié)合紅外線進(jìn)行遠(yuǎn)程巡檢。為了能改善這種現(xiàn)狀，便對(duì)雙天線的定位測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行研究、實(shí)驗(yàn)并引用，這種系統(tǒng)能夠更好地校正航線，提高了無(wú)人機(jī)的抗干擾性，并使巡檢過(guò)程更具有安全性。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高壓線路安全巡檢的特性對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行研究與更新，對(duì)我國(guó)的電網(wǎng)巡檢發(fā)展起著重大的輔助作用。因此在研究過(guò)程中，要將每個(gè)部分與系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析與改進(jìn)，并時(shí)刻進(jìn)行檢修與維護(hù)，及時(shí)找到無(wú)人機(jī)巡檢過(guò)程中各系統(tǒng)運(yùn)作的優(yōu)勢(shì)與問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，最大程度地保證電路巡檢的安全性與工作的高效性。

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