無人機(jī)電力巡線裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧夏理工學(xué)院 賈小龍 張 巖 黃博勝 陳 煉

輸電線路作為電力輸電系統(tǒng)中最為重要部分，維持電力輸電線路的穩(wěn)定就成為了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的首要任務(wù)。每年國家電網(wǎng)在輸電線路巡檢上面都花費(fèi)了大量的人力物力。為了解決這個問題，本文采用無人機(jī)巡線來代替人工完成電力線路的巡檢。本文設(shè)計(jì)了四旋翼無人機(jī)的飛行控制器，為航行姿態(tài)測量和飛行控制的研究提供了基礎(chǔ)。讓無人機(jī)根據(jù)所采集到的線路進(jìn)行巡線飛行，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的巡線功能。

輸電線路是電力系統(tǒng)中重要的一部分，主要是由電力線路桿塔、高壓輸電線路、絕緣子等構(gòu)成，我國的架空電力線路覆蓋區(qū)域廣，穿越地區(qū)的地形復(fù)雜，且長期暴露在這些復(fù)雜的環(huán)境中，故障時有發(fā)生，這就需要電力工人及時的進(jìn)行定期檢修和維護(hù)。

現(xiàn)階段運(yùn)用最為廣泛的就是人工定期巡檢。但是人工巡檢存在高空作業(yè)難度太大、安全隱患較多、造成極大的資源的浪費(fèi)，因此傳統(tǒng)的人工巡檢效率低下。

伴隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)的開發(fā)研究為電力線路巡檢提供了新的發(fā)展方向，采用無人機(jī)搭載巡檢設(shè)備對電力線路進(jìn)行巡檢在各個方面都有著傳統(tǒng)的人工巡檢無法與之媲美的優(yōu)勢。采用無人機(jī)巡檢的方式可以降低巡檢難度，很大程度的提高巡檢的效率，可以降低人力成本。所以，對于利用無人機(jī)對電力線路進(jìn)行巡檢有著極其重要的意義。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

我國對于無人機(jī)的研究和使用起步相對較晚，尤其是無人機(jī)的巡線技術(shù)是近幾年才剛剛開始新起的一個全新領(lǐng)域。我國的國家電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室曾做過一些關(guān)于這方面的研究，也曾獲得過一些進(jìn)展。試驗(yàn)研究人員利用無人機(jī)搭載高清攝像頭和云臺以及熱成像系統(tǒng)對電力線路進(jìn)行巡檢，可以很清楚的知道缺陷所在的位置。湖南電力科學(xué)研究院曾利用多旋翼無人機(jī)在電力線路被雨雪嚴(yán)重覆蓋的情況下對電力線路進(jìn)行巡線實(shí)驗(yàn)，并對技術(shù)缺陷進(jìn)行了改進(jìn)。

西班牙的馬德里理工大學(xué)就計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)的巡線導(dǎo)航上面，而且研究人員還基于GPS定位系統(tǒng)研發(fā)出了自動返航系統(tǒng)。日本的關(guān)西電力公司聯(lián)合千葉大學(xué)共同研發(fā)出無人直升機(jī)關(guān)于電力線路的巡線系統(tǒng)，這套系統(tǒng)的獨(dú)特特點(diǎn)就是它的故障自檢測技術(shù)和三維圖像監(jiān)測技術(shù)，無人直升機(jī)上面搭載有線路自檢測系統(tǒng)，能夠檢測出電力線路由于雷擊、焊接裂縫、導(dǎo)線斷裂等引起的線路故障。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)巡線控制系統(tǒng)主要有電源模塊、姿態(tài)傳感器模塊，循跡模塊。無人機(jī)的飛控MCU是5V供電，而無人機(jī)的電源是12V，所以采用一個降壓穩(wěn)壓模塊，將無人機(jī)的電源降壓穩(wěn)壓在5V然后利用RT9193穩(wěn)壓為3.3V電壓接入飛控。

在設(shè)計(jì)中選用了加速度計(jì)和角加速度傳感器，兩種傳感器進(jìn)行無人機(jī)飛行姿態(tài)的測量。加速度計(jì)所采集到的數(shù)據(jù)可以和角加速度計(jì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行互補(bǔ)。

對于加速度計(jì)和角加速度計(jì)，采用的是6軸運(yùn)動處理組件MPU6050，其所具有的優(yōu)勢如下：MPU6050是一個組合型傳感器，能節(jié)省大量的空間，不止是可以讓飛控盡可能的小，還以減輕無人機(jī)的重量，而且還有擴(kuò)展性，MPU6050與單片機(jī)的通訊是通過IC2引腳實(shí)現(xiàn)的，由于STM32F1的I2C引腳具有復(fù)用功能，所以氣壓計(jì)SPL06與單片機(jī)的通訊也是通過同一個I2C引腳實(shí)現(xiàn)的。

電路設(shè)計(jì)采用的是外設(shè)接口方式，除飛控的MCU（STM32F1）外，還有MPU6050（加速度計(jì)、陀螺儀）和SPL06（氣壓計(jì)）設(shè)計(jì)在飛控板上外，其他的比如超聲波探頭、OPENMV攝像頭、光流模塊、GPS等都是采用的外接的方式。無人機(jī)平臺如圖1所示。

OPENMV是基于MicroPython的嵌入式機(jī)器視覺模塊，它的優(yōu)勢就在于開發(fā)環(huán)境友好，成本比較低，而且OPENMV出了用作圖像處理之外還可以調(diào)用他的硬件資源。OPENMV使用的是STM32F7處理器，它的所有I/O輸出引腳的電壓都是3.3V同時兼容5V電壓。

圖1 無人機(jī)平臺

3 無人機(jī)飛行控制原理

四軸無人機(jī)是一種欠驅(qū)動模型，可以分為十字形和X形，如圖2所示。本文設(shè)計(jì)是以X形四旋翼無人機(jī)作為基礎(chǔ)，因?yàn)殡m然十字形的無人機(jī)在飛行姿態(tài)的控制上來說要簡單的多，但是X形的無人機(jī)模型在飛行姿態(tài)的控制上來說它的聯(lián)動性要比十字形的無人機(jī)要好。

圖2 無人機(jī)的兩種控制模型

如圖3(a)所示，無人機(jī)的上升運(yùn)動和下降運(yùn)動是由四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速共同控制的，若四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速同時增加時，電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，而螺旋槳的轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生向上的升力，如果這一股升力大于無人機(jī)的重力，就會拽著無人機(jī)先上飛行，反之若無人機(jī)的升力小于無人機(jī)的重力，由于這個重力會使得無人機(jī)有一個向下的加速度，就會做下降運(yùn)動。而當(dāng)M1、M2、M3、M4轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的升力和無人機(jī)的重力相等時，無人機(jī)就會懸停在空中。

圖3 升降運(yùn)動、俯仰運(yùn)動示意圖

俯仰運(yùn)動，如圖3(b)所示。當(dāng)M2、M4轉(zhuǎn)速相同，M1、M3轉(zhuǎn)速同比增加時，無人機(jī)前后兩端的合力不再相等，無人機(jī)會產(chǎn)生一個俯仰角，槳葉產(chǎn)生的力也不在豎直朝下，而是會有一個向前的合力，由于這個俯仰角會使無人機(jī)產(chǎn)生會多出一個向前的力的分量，正是因?yàn)檫@個力的分量會推著無人機(jī)前進(jìn)，機(jī)身就會做出俯仰運(yùn)動。

4 巡線功能的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)串級PID控制器，對無人機(jī)所在水平和豎直高度上的位置、速度以及加速度進(jìn)行控制，控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無人機(jī)的串級PID控制器

相比較于普通的位置控制器，串級PID控制器同時對無人機(jī)的位置，速度，加速度進(jìn)行閉環(huán)控制。根據(jù)加速度計(jì)數(shù)據(jù)得到的位置信息作為位置、速度、加速度PID控制的反饋值。以此構(gòu)成三級閉環(huán)控制，能在很大程度上增強(qiáng)無人機(jī)的抗干擾能力。

四旋翼無人機(jī)在使用之前都要先解鎖，起飛流程是在無人機(jī)解鎖后，飛控根據(jù)控制信號通過控制調(diào)速器控制無人機(jī)的高度和速度。進(jìn)入檢測區(qū)域后可選擇進(jìn)入自動巡檢模式。

4.1 巡線飛行

無人機(jī)在達(dá)到需要檢測期望高度之后，會懸停在期望高度，然后進(jìn)入自動巡線檢測模式，無人機(jī)會自動根據(jù)電力線路方向進(jìn)行自動巡檢，若發(fā)現(xiàn)電力線路故障會進(jìn)入懸停模式，而我們就會知道故障發(fā)生的位置，此時就只需要派專門的人針對性檢修，能很大程度上節(jié)省人力和時間。具體的流程是當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入航線飛行模式之后，飛控會讀取當(dāng)前的位置信息，然后通過氣壓計(jì)來確定當(dāng)前的高度信息，也會通過GPS來獲取當(dāng)前的位置信息，然后分別通過卡爾曼濾波融合，通過融合后的信號來控制PID以此來改變無人機(jī)的飛行高度，和控制無人機(jī)水平位置的改變，最終實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢。

4.2 無人機(jī)的自動降落

無人機(jī)在完成巡線動作后，需要返航，在本次設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了一鍵返航，在遙控器上的第七通道，設(shè)計(jì)了一鍵返航的通道操作，當(dāng)遙控器撥到自動降落的擋位是，無人機(jī)會獲取無人機(jī)所處的位置，氣壓計(jì)會獲取所處高度的氣壓狀態(tài)與初始的氣壓狀態(tài)進(jìn)行比較，若與初始狀態(tài)不一樣時飛控就會進(jìn)行PID整定以此來控制無人機(jī)的高度狀態(tài)，然后通過GPS獲得位置信息，若沒有達(dá)到期望的水平位置，飛控就會進(jìn)行PID整定，控制無人機(jī)的水平位置，最后在進(jìn)行PID高度整定，最終實(shí)現(xiàn)降落操作。

總結(jié)：本文中基于四旋翼無人機(jī)的電力線路巡檢設(shè)計(jì)，主要是針對于我國主要是要靠人力巡檢的現(xiàn)狀，目的是節(jié)省人工電力線路巡檢的時間和成本，同時也為了提高巡檢工人的安全，通過無人機(jī)和圖像處理替代人工巡檢。本文完成了無人機(jī)巡線裝置模塊的選擇、控制電路的設(shè)計(jì)，經(jīng)過飛行測試，達(dá)到了無人機(jī)的定高起飛，光流懸停，以及巡線飛行。

本文對無人機(jī)自主巡線做了研究，并通過自己設(shè)計(jì)的軟硬件實(shí)現(xiàn)了上述的預(yù)定功能，但是在想要運(yùn)用在實(shí)際的電力線路巡檢上面，還存在著許多可以優(yōu)化的地方：比如抗電磁干擾設(shè)計(jì)和絕緣設(shè)計(jì)。