基于載波相位差分技術(shù)的電力巡檢無人機轉(zhuǎn)運平臺研究

李寧，李波，馬聰惠，郭瑞紅，蔣學平

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，寧夏銀川 750011；2.合肥偌天電氣科技發(fā)展有限公司，安徽合肥 231131）

0 引言

傳統(tǒng)的電力設(shè)施巡檢技術(shù)受線路環(huán)境和地形影響存在巡檢效率低、人員安全風險大等問題，促進了無人機在電力設(shè)施巡檢方面的迅速發(fā)展[1-3]。目前無人機開展電力設(shè)施巡檢作業(yè)時，需要專業(yè)飛手控制或者依賴固定機巢實現(xiàn)自主巡檢作業(yè)[4-6]。人工操作無人機進行電力設(shè)施巡檢作業(yè)嚴重依賴飛手的個人能力，采用固定機巢的方式可以解決人員需求的問題，但固定機巢成本高，機巢兼容性差，未能在變電站領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用。為實現(xiàn)無人機自主變電站巡檢作業(yè)，本文設(shè)計一款無人機轉(zhuǎn)運平臺，將固定機巢的功能融合進無人機轉(zhuǎn)運平臺。設(shè)計的無人機轉(zhuǎn)運平臺相比于固定機巢具有費用低，操控靈活，不受外界因素影響，方便將無人機運輸至指定起飛位置，可以提高巡檢無人機的續(xù)航能力。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

為提高無人機轉(zhuǎn)運平臺的定位精度，實現(xiàn)無人機轉(zhuǎn)運路徑的精準可靠，本文設(shè)計的無人機轉(zhuǎn)運平臺采用載波相位差分技術(shù)，又稱實時動態(tài)差分（real time kinematic，RTK）定位技術(shù)。轉(zhuǎn)運平臺分為轉(zhuǎn)運平臺控制系統(tǒng)、定位導航系統(tǒng)及無人機歸中裝置。轉(zhuǎn)運平臺控制系統(tǒng)負責平臺的行走功能，定位導航系統(tǒng)負責定位和路徑規(guī)劃，兩部分通過串口通信完成對轉(zhuǎn)運平臺的控制，同時設(shè)計了無人機的歸中裝置。系統(tǒng)的整體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體構(gòu)成

1.1 轉(zhuǎn)運平臺控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)運平臺的輪轂采用麥克納姆輪，可以實現(xiàn)平臺的直行、橫行、斜行及原地轉(zhuǎn)彎等行進方式，使得轉(zhuǎn)運平臺運動更加靈活。由于麥克納姆輪具有點動微調(diào)的功能，可以滿足高精度定位及軌跡跟蹤的要求。為實現(xiàn)對平臺的控制，主控芯片采用ATmega2560，此款MCU含有10路PWM輸出端口滿足對轉(zhuǎn)運平臺運動的控制，含有4 路串口滿足通信功能，控制系統(tǒng)硬件如圖2所示。

圖2 硬件控制系統(tǒng)

要實現(xiàn)對轉(zhuǎn)運平臺多種行進方式的控制，需要正確安裝麥克納姆輪和控制多輪組合運動，同一側(cè)麥克娜姆安裝要按照內(nèi)八形式安裝，麥克娜姆輪正確安裝如圖3所示。

圖3 麥克娜姆輪安裝結(jié)構(gòu)

多輪組合實現(xiàn)不同的運動方式，不同組合方式運動方向如圖4所示。

圖4 平臺運動方式

由圖4 可知要實現(xiàn)平臺多種運行方式需要4個麥克納姆輪配合控制。為實現(xiàn)對轉(zhuǎn)運平臺的靈活控制，軟件系統(tǒng)在完成初始化操作后，平臺處于停止狀態(tài)，MCU 處于運行方式指令接收狀態(tài)。當MCU 接收到新的指令，需要判斷此指令是否是結(jié)束指令，如若是結(jié)束指令則平臺結(jié)束運行，否則根據(jù)接收到的新指令控制平臺執(zhí)行對應(yīng)的控制指令。

1.2 RTK定位導航系統(tǒng)

GPS 是日常生活中常見的定位方式，但是由于GPS存在較大定位誤差的缺點使其在高精度定位場合無法使用[7-8]。所設(shè)計的巡檢無人機轉(zhuǎn)運平臺對定位精度要求較高，為此系統(tǒng)選擇RTK 定位系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 RTK定位系統(tǒng)原理

RTK是根據(jù)GPS定位系統(tǒng)提出的相對定位的概念，此定位方式下需要放置一臺接收機在已知點，即稱為基站；另一臺接收機放置在設(shè)計的移動平臺，即巡檢無人機轉(zhuǎn)運平臺。在RTK 定位模式下，基站和流動站同步采集定位數(shù)據(jù)，RTK 基站將采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳模塊將觀測值和基站站點坐標傳送至流動站，流動站利用相對定位原理對接收到的數(shù)據(jù)進行差分處理，即可獲得厘米級定位結(jié)果[9-11]。

本文選用的RTK 模塊可以輸出$GPGGA、$PTNL,PJK 及$GPTRA 數(shù)據(jù)幀，通過對上述三種數(shù)據(jù)幀進行解析，可以得到經(jīng)緯度信息、大地坐標信息及航向角信息。為了計算的簡便性，本系統(tǒng)運用大地坐標和航向角作為路徑導航的關(guān)鍵信息。使用RTK 定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)厘米級定位誤差，使用此定位系統(tǒng)可以使無人機轉(zhuǎn)運平臺運行路徑更加精確。

2 導航定位算法設(shè)計

通過對RTK 數(shù)據(jù)幀進行解析，可以獲得當前位置的大地坐標和航行角大小。在大地平面坐標系中，RTK 的坐標軸是以X軸正方向為正北方向，Y軸的正方向為正東，正北方向是航向角0o，順指針旋轉(zhuǎn)航向角逐漸增大，航向角的范圍為0o≤β＜360o。為了實現(xiàn)導航功能首先需要確定該運行路徑的標識點，通過對標識點連線獲得兩點的航向角和直線運動方程，即可實現(xiàn)路徑導航功能。

2.1 航向角的計算

由于RTK 解析出的航向角范圍為0o≤β＜360o，為此需要將計算出的航向角根據(jù)實際航向轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的角度。航向角計算流程如圖6所示。

圖6 航向角計算流程

本系統(tǒng)航向角的計算分為三大部分：1）大地坐標Y和X是正向比例關(guān)系；2）大地坐標Y和X是反向比例關(guān)系；3）航線與坐標軸平行。

1）在第一種情況下航向角的范圍如式（1）所示。

式中：β1為第一種情況下的航向角范圍。

相鄰兩航點符合第一種關(guān)系時，計算出的k＞0；當（X1＜X2 且Y1＜Y2）時，航向角為0o～90o，計算atan（k）即可得出實際的航向角。當（X1＞X2 且Y1＞Y2）時，航向角為180o～270o，計算atan(k) + π可得實際航向角。

2）第二種情況下航向角的范圍如式（2）所示。

式中：β2為第二種情況下的航向角范圍。

相鄰兩航點符合第一種關(guān)系時，計算的k＜0；當（X1＞X2且Y1＜Y2）時，航向角為90o～180o，計算公式如式（3）所示。

當（X1＜X2且Y1＞Y2）時，航向角為270o～360o，計算公式如式（4）所示。

式中：k為地理坐標兩點間的斜率。

3）第三種情況下航向角的范圍如式（5）所示。

式中：β3為第三種情況下的航向角。

通過計算兩坐標點的X軸或Y軸坐標是否相等及兩坐標大小確定航向角的大小。在計算航向角的同時把計算出的斜率k值保存，同時計算出兩點直線方程的截距b進行保存。

2.2 導航設(shè)計

上述航向角計算中根據(jù)保存的航點可以計算出任意兩點的航向角、k值及b值。將轉(zhuǎn)運平臺放置在起始航點，開啟航點循跡功能。轉(zhuǎn)運平臺首先調(diào)整航向角，航向角調(diào)整正確后，在前進中獲取RTK 流動站大地坐標X和Y值，將X坐標帶入當前航點線性方程中求取理論Y值，對比理論Y值和實際Y值誤差是否大于設(shè)定誤差，如若大于設(shè)定的偏差值控制轉(zhuǎn)運平臺在運行中向誤差小的方向移動。當轉(zhuǎn)運平臺到達某一航點，判斷是否到達終點，如若到達終點需要停止運行，將巡檢無人機放飛，否則將航向角調(diào)整至下一航線的航向角并繼續(xù)運行。轉(zhuǎn)運平臺巡航設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)運平臺巡航流程

3 無人機柔性歸中裝置設(shè)計

本巡檢無人機選用的是精靈Phantom 4 RTK，此款無人機集成了全新的RTK 模塊，具有更精準的定位能力，在無人機返航時可以利用無人機本身掃碼降落功能將無人機降落在指定的轉(zhuǎn)運平臺位置。由于無人機降落時存在誤差，很難降落在轉(zhuǎn)運平臺的中心位置，現(xiàn)有的無人機歸中裝置結(jié)構(gòu)復雜體積大，為此本文設(shè)計了無人機柔性歸中裝置，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 無人機歸中裝置結(jié)構(gòu)

無人機柔性歸中裝置由四個伸縮拉線盒固定在平臺四個角，碳素纖維線將伸縮拉線盒連接并與步進電機轉(zhuǎn)槽固定。步進電機正轉(zhuǎn)在碳素纖維線和伸縮盒的作用下可以將無人機歸中至平臺中心位置，此狀態(tài)下無人機被固定可以方便轉(zhuǎn)運平臺的運輸；步進電機反轉(zhuǎn)將伸縮拉線盒復位至原先位置，此狀態(tài)下可以將無人機放飛。圖9所示為無人機轉(zhuǎn)運平臺實物圖。

圖9 無人機轉(zhuǎn)運平臺實物圖

4 效果驗證

由于該無人機轉(zhuǎn)運平臺使用的RTK 導航系統(tǒng)基站的通訊距離在5 km 以內(nèi)，轉(zhuǎn)運平臺在基站所能覆蓋的范圍內(nèi)都可正常運行。為了驗證導航系統(tǒng)的定位精度及無人機的轉(zhuǎn)運效果，將標記有白線的路徑設(shè)計為轉(zhuǎn)運平臺的運行路徑，在實際運行過程中無人機轉(zhuǎn)運平臺偏移白色標記線的誤差驗證導航系統(tǒng)的定位誤差。經(jīng)過實際驗證導航系統(tǒng)的定位誤差在±30 cm 內(nèi)。由于設(shè)計的轉(zhuǎn)運平臺采用大容量鋰電池供電，經(jīng)過實際測試轉(zhuǎn)運平臺持續(xù)運行時間在5 h 內(nèi)。相比于固定機巢可以提升巡檢無人機的續(xù)航能力，同時也解決了固定機巢受安裝位置影響的因素。

5 結(jié)論

針對電力巡檢無人機固定式機巢存在的弊端，運用機器人平臺構(gòu)建了移動式無人機轉(zhuǎn)運平臺，結(jié)合RTK 導航實現(xiàn)了轉(zhuǎn)運平臺的精準定位，研制了柔性歸中裝置實現(xiàn)無人機在轉(zhuǎn)運平臺的歸中作業(yè)，最終解決了固定機巢存在的局限性問題。實驗結(jié)果表明轉(zhuǎn)運平臺可以按照設(shè)定的航點精準運動，歸中裝置可以有效將無人機歸中，導航系統(tǒng)的定位誤差在±30 cm 內(nèi)。后期結(jié)合無人機機庫開展多機型無人機多站點電力設(shè)施無人機巡檢作業(yè)，可以進一步拓展無人機轉(zhuǎn)運平臺的應(yīng)用價值。