一種飛行巡線機器人的設計與實現(xiàn)*

李 論，彭曉燕，楊程富，周蔚勇

（貴州大學 大數(shù)據(jù)與信息工程學院，貴州 貴陽 550025）

0 引 言

隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，無人飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）+行業(yè)應用成為人工智能發(fā)展的剛需。以智能化為主要依托的四旋翼飛行器技術(shù)，越來越多地應用于影視航拍、交通巡查、植保施肥、電力輸配電巡檢、災難救援、測繪跟蹤和快遞運輸?shù)阮I(lǐng)域[1-6]。特別是飛行巡線機器人作為電力輸配電巡檢網(wǎng)絡發(fā)展領(lǐng)域的重要分支，已成為我國乃至世界科技創(chuàng)新戰(zhàn)略中的重要成員之一[7-8]。然而，四旋翼飛行器因其性能卓越、成本低廉和結(jié)構(gòu)新穎，被廣泛應用于電力線路巡檢任務[9]。傳統(tǒng)的輸配電網(wǎng)絡巡檢是巡檢電工攜帶檢測儀器裝備沿著輸配電網(wǎng)絡線路步行對架空輸電線路進行逐一排查，人為判斷或發(fā)現(xiàn)故障點[10-11]。這種巡檢方式存在工作效率低、檢測質(zhì)量不高、山區(qū)惡劣環(huán)境下電工步行危險性大等缺點。

近年來，無人機被全面用于電力線路巡線作業(yè)，主要應用于國家電網(wǎng)等電力傳輸行業(yè)領(lǐng)域，具有巡線速度快、應急瞬速等優(yōu)點，為保障人員高空危險作業(yè)安全立下了汗馬功勞。然而，使用電力智能巡檢飛行機器人能夠?qū)σ巴饧芸针娏€纜進行自動化高空作業(yè)是智能電網(wǎng)發(fā)展的重要方向[12-13]。巡線機器人自動巡檢在提升勞動效率、降低營運成本、優(yōu)化人力資源結(jié)構(gòu)以及減少高空危險作業(yè)安全事故等方面做出了重大貢獻。根據(jù)電子設計競賽賽題的設計要求和架空輸配電電纜環(huán)境特點，本文設計提出一種基于TI 公司的Tiva ?C 系列TM4C123GH6PM微控制器的巡線機器人的設計方案。采用高性能微控制器作為巡線機器人的飛控主處理器[14]，為了滿足自動巡檢任務，在飛控板上增加了視覺Open MV傳感器、激光筆、姿態(tài)傳感器、超聲波模塊以及視覺圖像智能分析算法協(xié)同作用來識別線纜、定高和測距。

1 巡線機器人硬件設計

基于四旋翼飛行器的巡線機器人的設計任務是通過四旋翼飛行器搭載視覺Open MV 傳感器模塊，對架空電力線纜及桿塔狀態(tài)進行實時監(jiān)測和監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異?；蚬收蠒r拍攝存儲，當巡檢任務結(jié)束后將巡檢過程實時傳送到地面顯示裝置上顯示數(shù)據(jù)信息。飛行巡線機器人是一個相當復雜的控制系統(tǒng)，主要由飛行控制系統(tǒng)、姿態(tài)解算系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等組成。飛行巡線機器人同時是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)，由4 個輸入來完成6 個輸出的飛行控制系統(tǒng)[15]。工作原理是飛行控制處理器輸出4 路PWM 波調(diào)整控制4 個電機的轉(zhuǎn)速，從而改變兩對相互交叉對稱的旋翼轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的上升力來實現(xiàn)各種飛行姿態(tài)。飛行巡線機器人硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由3 個單元模塊構(gòu)成，分別是四旋翼機架單元模塊、飛行控制器單元模塊和視覺傳感器單元模塊。

圖1 飛行巡線機器人硬件系統(tǒng)框架

1.1 機架模塊

作為飛行巡線機器人的主體構(gòu)件，在設計方案中選擇F330 鋁制機架，軸距為330 mm，小巧輕便；機臂采用一體化注塑設計，可簡化安裝，降低共振，耐沖擊。配合使用8045 螺旋槳（直徑為8 英寸），同時選擇2212 無刷電機和電調(diào)模塊。相對于直流有刷電機來說，在運行時間和電壓方面較穩(wěn)定且標配穩(wěn)壓器，具備低干擾、低電損耗和低發(fā)熱量等優(yōu)點。電機的KV 值為930，較合適螺旋槳旋轉(zhuǎn)（KV值越高，電機轉(zhuǎn)速越快，力氣就越?。ｋ娬{(diào)選擇好盈樂天的20 A 電調(diào)，穩(wěn)定且兼容性較好。飛行巡線機器人的供電由航模電源管理模塊鋰電池提供，選用LiPo-3S 電池，每塊4.2 V，共12.6 V 電壓。供電包含兩部分，為飛控板和電機輸送電源。由于飛控板的電壓為5 V，鋰電池的電壓在11 ～12.6 V，所以需要一個降壓穩(wěn)壓模塊進行電壓轉(zhuǎn)換。

1.2 飛控模塊

飛行巡線機器人的核心控制處理單元模塊包括飛控主板、自主設計和繪制電路板。焊接如圖2 所示的飛控主板。該四旋翼飛行器主控板可以實現(xiàn)一鍵起飛/降落、空中平衡定點光流懸停、SDK 開發(fā)者模式、自主尋跡模式以及自動追蹤移動模式等。飛控模塊由主控芯片、遙控通信模塊、慣性測量模塊、光流模塊、電源供電模塊和電機及驅(qū)動模塊構(gòu)成。其中，主芯片使用基于TI 公司的Tiva ?C 系列TM4C123GH6PM，其內(nèi)部構(gòu)造是基于ARM Cortex M4 的內(nèi)核32 位處理器，主頻高達80 MHz，包含256K 程序存儲器和32K 的數(shù)據(jù)存儲器、12 位高分辨率的DAC、12 個定時器Timer、串口多達8 路、I2C 通信接口多達6 路、PWM 輸出多達16 路以及多路USART 接口。

圖2 飛行控制主處理器板

傳感器部分由光流模塊（定位懸停）、US-100 超聲波模塊（測高、測距，可實現(xiàn)探測距離為2 ～450 cm的非接觸測距功能，具有串口等多種通信方式）、MPU-6050 姿態(tài)傳感器（穩(wěn)定飛行姿態(tài)，由加速度計和陀螺儀組成，前者主要測量加速度，后者主要測量轉(zhuǎn)動角速度）、SPL06 氣壓計（與加速度計同時作用于定高，起飛前需要校準）和IST8310 磁力計組成。其中，光流模塊和超聲波模塊通過USART協(xié)議與飛控主板通信，MPU6050 姿態(tài)傳感器、磁力計和氣壓計通過I2C 總線協(xié)議與飛控主板通信。

1.3 視覺模塊

作為飛行巡線機器人的視覺圖像傳感器模塊，主要由Open MV 模塊組成。Open MV 模塊打造的是一款低價位、可擴展、支持Python 編程調(diào)用圖像處理算法的機器視覺傳感器，包含STM32H743VIT6芯片和OV7725 攝像頭。這款芯片使用ARM Cortex M7 的處理器，所有的I/O 口均可用于中斷和PWM，且所有的I/O 引腳輸出3.3 V 和5 V 兼容。OV7725 攝像頭在80FPS 下可處理640×480 分辨率8 bit 灰度圖或320×240 分辨率16 bit 彩色圖。飛行巡線機器人完成巡線任務（包含電力線纜上異物檢測和桿塔二維碼識別拍照），主要依靠如圖3 所示的超聲波模塊、Open MV 模塊、MPU-6050 傳感器和光流模塊進行圖像和數(shù)據(jù)采集處理。

圖3 飛行巡線機器人視覺傳感器結(jié)構(gòu)

下面主要對超聲波模塊和Open MV 模塊進行詳細概述。

（1）超聲波模塊。飛行巡線機器人要以1 m 定高繞桿A 至B 逐一巡檢，且巡線區(qū)域為±60 cm，飛行最大軸間距不大于420 mm。飛行期間既要保證高度，又要防止飛出巡線區(qū)域。因此，將Open MV 模塊安裝在分電板兩側(cè)，即機頭方向，分電板前后側(cè)各安裝一個超聲波模塊。前側(cè)與攝像頭保持水平，后側(cè)與地面保持水平，巡線期間機器人沿線纜橫向飛行。

（2）視覺Open MV 模塊。該傳感器模塊主要是對輸配電網(wǎng)絡電纜和桿塔進行拍照錄相，而桿塔及電纜是架空電路中包含的主要成員。在飛行巡線機器人飛行巡檢過程中，電纜和桿塔的正確識別與定位是視覺傳感器的首要任務。在視覺傳感器模塊中，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)計算和判斷識別成功率，圖像處理算法在本文不加以討論。電力線纜上粘貼有圓環(huán)狀的黃底黑色8 位數(shù)條形碼，飛行巡線機器人在巡線期間要求機器人發(fā)現(xiàn)線纜上異物，并在與異物距離不超過30 cm 的范圍內(nèi)用聲音或燈光提示報警?？紤]到機器人起飛后螺旋槳轉(zhuǎn)動的噪聲雜音較大，如果安裝蜂鳴器進行聲音提示很大程度會影響飛行實驗結(jié)果，聽不到聲響報警。所以，采用燈光提示，設置兩個LED 燈（藍色和綠色）依次閃亮。LED 燈的亮度較大，提示對線纜或桿塔識別比較明顯。

2 巡線機器人軟件設計

巡線機器人軟件設計部分是采用C語言在MDK5軟件上編寫飛控主程序，并在TM4C123GH6PM芯片上下載和調(diào)試實現(xiàn)；視覺傳感器模塊程序是在Open MV 軟件上采用Python 語言開發(fā)實現(xiàn)線纜和桿塔數(shù)據(jù)采集的分析和計算。巡線機器人在空中執(zhí)行巡線任務的技術(shù)路線如圖4 所示。為了讓飛行巡線機器人一鍵起飛后連貫地執(zhí)行賽題要求的各項動作任務，在主程序中設定了針對賽題要求進行分段分時飛行。

圖4 飛行巡線機器人軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛行巡線機器人的飛控系統(tǒng)主程序部分核心代碼：

int main(void)

{

WP_Init();//芯片資源、飛控外設初始化

while(1)//主循環(huán)

{

Get_Battery_Voltage();//測量電池電壓

Key_Scan(Key_Right_Release);//按鍵掃描

QuadShow();//OLED 顯示

Vcan_Send();//山外地面站

ANO_SEND_StateMachine();//ANO 地面站發(fā)送

Accel_Calibartion();//加速度計6 面校準

Mag_Calibartion_LS(&WP_Sensor.mag_raw,Circle_Angle);//磁力計橢球校準

RC_Calibration_Check(PPM_Databuf);//遙控器行程校準

Save_Or_Reset_PID_Parameter();//運用地面站，修改控制參數(shù)

}}

根據(jù)電子競賽賽題給出的多項飛行任務要求，本文設置一個游戲模式來控制飛行巡線機器人在巡線過程中的相關(guān)動作。

（1）定高飛行。這是四旋翼飛行器保持巡線檢查前最重要的環(huán)節(jié)。賽題設定線纜的高度為1 m，在飛行巡線過程中通過Open MV 模塊不斷檢測線纜在視野中的位置，同時設置一個關(guān)鍵性標志，給光流發(fā)出指示動作來控制飛行巡線機器人的速度。如果飛行巡檢視野中沒有檢測到線纜異物或是桿塔物體，則飛行巡線機器人保持懸停狀態(tài)，自動進入高度調(diào)整控制，停止速度控制。此時，需要知道線纜高度。設定Left 為上方有線，值為+1 cm 到+3 cm；Right 為下方有線，值為-1 cm 到-3 cm。通過檢測線纜的高度判斷飛行巡線機器人下一步的飛行姿態(tài)，即向上飛行使線纜出現(xiàn)在視覺傳感器攝像頭的中間或者自動調(diào)整機身向下飛行時使線纜居中。

（2）檢測線纜上是否存在異物并提示。異物是黃色管狀物體，而線纜是黑色，所以檢測異物即色塊識別，用到了Open MV 模塊中的find_blobs函數(shù)來尋找色塊，通過設置pixels_threshold=25 和area_threshold=25 過濾識別到的一些干擾點。這些干擾點的像素值和面積均小于25，可以很好地識別色塊。識別到異物報警時，用到了2 號超聲波模塊（與地面垂直放置）來檢測飛行器與線纜之間的距離。當超聲波模塊檢測到距離小于30 cm 時，調(diào)用alarm()函數(shù)發(fā)出警報，通過延時來控制藍色和綠色兩個LED 燈光閃爍，同時要關(guān)閉速度控制，保持飛行巡線機器人懸停姿態(tài)，立即進行條碼識別與拍照存儲。

（3）條碼識別。由于條形碼貼在黃色管物體塊上，認為僅需要識別出異物并拍照便可得到條形碼圖片。條碼識別步驟如下。

步驟1：設定異物顏色閾值，設定常量值t=7；

步驟2：利用find_blobs 方法，輸入異物顏色閾值、最小色塊像素、最小色塊面積等參數(shù)，并過濾掉條形碼，從而識別色塊，調(diào)用blob.cx()方法和blob.cy()方法得到色塊在窗口的橫坐標，最后利用for 語句遍歷所有異物顏色色塊；

步驟3：通過條件篩選出異物，得到異物橫坐標和縱坐標；

步驟4：當檢測到異物的橫坐標在x 軸的中間部分時，t-1，flag1 置1；

步驟5：將條形碼坐標和flag1 返回，此時t 自減，當取值為3、2、1 時，調(diào)用save 方法拍照并依次將圖片保存進SD 卡；

步驟6：當t 自減至0 時，不再進行異物識別判斷，不再拍照，從而控制照片數(shù)量為3，flag1 置0 返回；

（4）二維碼識別。由于二維碼存在許多關(guān)鍵點，認為可以將需要識別的二維碼特征點提前保存并通過特征點檢測便可識別出二維碼。

步驟1：將要檢測的二維碼特征點提前保存，設定常量值q=7；

步驟2：利用load_descriptor 方法讀取sd 卡內(nèi)的特征點，存入kpts1；

步驟3：利用find_keypoints 方法尋找特征點存入kpts2；

步驟4：利用match_descriptor 方法將kpts2 與二維碼的特征點相匹配；

步驟5：設定條件語句，當相匹配的特征點個數(shù)超過設定的個數(shù)時為匹配成功，此時返回檢測對象的坐標；

步驟6：當檢測對象進入鏡頭中間時，flag2 置1，調(diào)用save 方法將圖片保存進SD 卡，q-1 直到q=0時不再拍照，從而控制照片數(shù)量，flag 置0 時返回；

（5）繞桿塔飛行。飛行巡線機器人繞桿塔飛行需要考慮兩個因素：一是檢測到桿塔B；二是巡線機器人繞過桿塔B。巡線機器人檢測到桿塔B，需要視野中上、下、左三側(cè)呈現(xiàn)有線纜的現(xiàn)象。對于視覺Open MV 模塊來說，是Left、Right、Up 三個參數(shù)為1。繞過桿塔飛行需要在保持飛行高度的情況下不斷調(diào)整橫滾的速度和偏航的角度，即調(diào)整橫滾和偏航的參數(shù)實現(xiàn)繞過桿塔B 繼續(xù)呈直線飛行巡檢。

3 實驗測試與分析

本文設計制作的飛行巡線機器人如圖5 所示。根據(jù)2019 年全國大學生電子設計競賽試題要求，為解決架空輸電線路人工巡檢存在的困難現(xiàn)狀，團隊在比賽現(xiàn)場進行了方案論證、飛行設計和飛行實測。

圖5 飛行巡線機器人

按照全國競賽賽題飛行測試任務要求，設計的飛行巡線機器人沿著圖6 桿塔與線纜測試圖進行了6 項試驗，成功完成了賽題基礎部分3 項和發(fā)揮部分3 項（①、②和④項）的飛行實測，如表1 所示。

圖6 實驗測試桿塔與線纜示意圖（摘自2019 競賽試題）

針對賽題任務以及架空線纜巡檢環(huán)境繁雜，本設計硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，按賽題選項每一單項重復巡檢測試飛行3 次，最后取飛行平衡、效果最佳的一次作為最后實驗成績。機器人設備在巡線巡檢飛行中全程飛行平穩(wěn)，唯一有兩個單次飛行巡檢測試失敗，兩單次條形碼/二維碼未正確識別?？梢?，本文設計提出的飛行巡線機器人飛行測試實時性和精準性較高，并取得了2019 年貴州賽區(qū)兩項二等獎和一項三等獎。實驗結(jié)果表明，飛行巡線機器人系統(tǒng)的魯棒性、實時性、可擴展性以及可移植性得到了有效論證。

表1 飛行實測表

4 結(jié) 語

本文提出一種飛行巡線機器人的設計方法，自主設計與繪制四旋翼飛行控制器主板，詳細闡述了四旋翼飛行器搭載視覺Open MV 傳感器模塊、光流模塊、超聲波模塊以及MPU-6050 傳感器模塊在TI公司Tiva ?C 系列TM4C123GH6PM 主控芯片上實現(xiàn)飛行巡線巡檢方案，采用圖像處理技術(shù)算法處理自動飛行巡檢功能。在軟件系統(tǒng)設計方面，采用通用的C&Python 語言程序協(xié)同開發(fā)并執(zhí)行巡線機器人在巡線巡檢過程中的定高、測距、線纜檢測異物、條形碼/二維碼識別等任務?，F(xiàn)場比賽和飛行實測，驗證了本文設計的飛行巡線機器人的綜合性能。這種設計方案降低了人工巡檢架空輸配電網(wǎng)絡電力線纜和桿塔的危險性，提高了工作效率和巡檢質(zhì)量，為智能巡檢機器人提供了一種新的參考方案。