電力線無人巡檢機(jī)器人

魯雨鑫 程勇健 劉錦鵬

摘要：該項目內(nèi)容是做一架可高壓線無人巡檢飛行器，它可遠(yuǎn)距離監(jiān)控和GPS定位。工作在高壓線下，因為需要數(shù)據(jù)的傳輸，我們需要在每個高壓塔下建立工業(yè)級基站，因為高壓線塔最大距離190米，所以工業(yè)級基站完全可以覆蓋整個工作區(qū)域，基站之間可以用無線連接，如果要求傳輸數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確則可以采用光纜連接?？傉究稍O(shè)備兩臺PC機(jī)用來觀察圖像和發(fā)布指令。高壓線無人巡檢飛行器的主要部分為：攝像頭系統(tǒng)、陀螺儀平衡系統(tǒng)、無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、串口WiFi轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。各個系統(tǒng)相互配合完成所需任務(wù)。

關(guān)鍵詞：高壓線;巡檢;飛行器;STM32;

1、簡介

此項目的研究目的在于，高壓線塔是電力傳輸?shù)闹匾M成部分，颶風(fēng)和暴風(fēng)雪是高壓線塔的最大威脅，非常容易造成高壓線塔的斷裂和倒塌，對電力設(shè)施檢測是重要的環(huán)節(jié)，對高壓電線的檢測需檢測人員爬上高大高壓架上檢測，不僅會帶來生命威脅，還費(fèi)時費(fèi)力勞民傷財，檢查環(huán)境也很艱苦和惡劣。此次創(chuàng)新項目的主要內(nèi)容就是針對這一現(xiàn)象設(shè)計出能遠(yuǎn)距離操控和傳輸圖像錄制圖像自身可GPS定位的高壓線無人巡檢飛行器，以解決目前的難題，保證高壓電力的傳輸安全實現(xiàn)高壓線塔遠(yuǎn)程監(jiān)控和鋼架狀況診斷。

本項目采用四旋翼飛行器作為巡檢工具，它是一種電動的、能夠垂直起降的、多旋翼式遙控自主飛行器，微小型四旋翼無人機(jī)能夠適應(yīng)各種環(huán)境;具備自主起飛和著陸能力，高度智能化;能以各種姿態(tài)飛行，如懸停、前飛、側(cè)飛和倒飛等，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、巡檢系統(tǒng)整體設(shè)計與論證

1）巡檢系統(tǒng)設(shè)計

本項目設(shè)計了一種基于WiFi的高壓線無人巡檢飛行器系統(tǒng)，實現(xiàn)了四旋翼的飛行穩(wěn)定控制及WiFi高速數(shù)據(jù)通信，實時傳輸視頻等大帶寬數(shù)據(jù)。巡檢飛行器系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用小型四旋翼作為運(yùn)載平臺，高性能的STM32F103單片機(jī)做為飛行控制核心，直流無刷電機(jī)電調(diào)為動力驅(qū)動，利用多維陀螺儀加速度計等傳感器檢測姿態(tài)信息，通過互補(bǔ)濾波等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及姿態(tài)解算和融合，得到姿態(tài)角，采用雙閉環(huán)（串級）PID控制方法，實時修正飛行姿態(tài)，通過組建WIFI網(wǎng)絡(luò)，實時傳輸攝像頭拍攝的視頻數(shù)據(jù)，為解決WIFI通信距離短的問題，采用了WDS技術(shù)，即無線分布式系統(tǒng)，通過鋪設(shè)臨時熱點(diǎn)“基站”，中繼無線信號，能有效地擴(kuò)展WIFI無線信號的覆蓋范圍。

2）方案論證

（1）巡檢平臺的論證

四旋翼飛行器作為巡檢平臺。

可用于電力輸電線路巡檢的無人飛行器有很多種類，一般可分為多軸的、固定翼的以及直升的三種結(jié)構(gòu)形式，按這三種結(jié)構(gòu)類型可得如下方案：

方案一：多軸結(jié)構(gòu)形式的飛行器，根據(jù)螺旋槳數(shù)量的不同，又可細(xì)分為四旋翼、六旋翼、八旋翼等。一般來說，旋翼數(shù)量越多，飛行的就會越平穩(wěn)，操作相對就越更容易，當(dāng)然啦，載重也更大，功耗也會更多。

方案二：固定翼結(jié)構(gòu)形式的飛行器外形像“十”字或“士”字，機(jī)翼與機(jī)身垂直。這類飛行器一般需要一定起飛條件或場地，譬如說需要滑翔跑道進(jìn)行起飛或著陸等。續(xù)航、載重以及抗風(fēng)等能力較上述旋翼機(jī)強(qiáng)。

方案三：直升結(jié)構(gòu)形式的飛行器，一般體型較大、油動驅(qū)動、需要專業(yè)操作人員操控，鑒于體型較大、操作技術(shù)難度大等不便造成該類飛行器在民用市場應(yīng)用的較少。

鑒于實際及多旋翼飛行器的優(yōu)越性，我們采用方案一，且采用四旋翼無人飛行器作為最終的運(yùn)載平臺。四旋翼無人飛行器是一種具有4個螺旋槳的飛行器并且4個螺旋槳呈對稱的“十”字形交叉結(jié)構(gòu)，對角的電機(jī)轉(zhuǎn)向相同、不對角（相鄰）的電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，其結(jié)構(gòu)小巧、簡單、易于操作，特別適合用于巡檢、偵察等任務(wù)。

（2）視頻數(shù)據(jù)通信方案論證

電力線路檢測無人飛行器的關(guān)鍵技術(shù)問題之一的大帶寬長距離數(shù)據(jù)通信問題一直是研究難點(diǎn)及熱點(diǎn)，那么目前用于小型無人飛行器通信的技術(shù)或手段主要有以下幾種：

第一：利用數(shù)傳電臺

數(shù)字式無線數(shù)據(jù)傳輸電臺，簡稱數(shù)傳電臺，這是目前使用最為廣泛的通信方式，通信距離比較遠(yuǎn)，可以達(dá)到數(shù)公里，一般用于傳輸控制指令等數(shù)據(jù)，但是面對高清圖像視頻等對傳輸帶寬大的數(shù)據(jù)就有點(diǎn)力不從心了，雖然目前有針對視頻圖像傳輸提高發(fā)射功率的圖傳模塊，也能傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)，但面對不斷提高的電力線路檢測效率與精度要求，需要傳輸越來越大帶寬的數(shù)據(jù)，顯然數(shù)傳電臺不能滿足未來發(fā)展需要。

第二：利用4G/5G網(wǎng)絡(luò)

隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，特別是近年來4G/5G高速蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展普及，部分廠家提出了在巡檢無人機(jī)上4G/5G網(wǎng)絡(luò)模塊的解決方案，這樣就可以通過4G/5G高速網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控信息傳回監(jiān)控中心或者接入Internet遠(yuǎn)程實時監(jiān)控?zé)o人飛行器。采用此方案具有傳輸距離極遠(yuǎn)，且不受山川地形的限制，還能遠(yuǎn)程監(jiān)控。但目前4G/5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的還不夠全面，特別是一些偏遠(yuǎn)山區(qū)，信號質(zhì)量也是個問題，且4G/5G網(wǎng)絡(luò)是按流量收費(fèi)的，對于傳輸視頻等大帶寬數(shù)據(jù)，不是很經(jīng)濟(jì)。應(yīng)用受到一定限制。

第三：利用衛(wèi)星通信

采用衛(wèi)星通信通信方案，無人機(jī)采集視頻圖像信息，通過車載衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)將信息轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心。該方案可以實現(xiàn)電力線路及鐵塔的現(xiàn)場監(jiān)控，達(dá)到超遠(yuǎn)距離無限視頻圖像傳輸，但是衛(wèi)星通信費(fèi)用高昂，且通信延遲較大，易中斷，同樣，應(yīng)用也受到限制。

第四：采用WLAN無線局域網(wǎng)路

目前部分無人機(jī)玩具上采用了WiFi無線局域網(wǎng)路，主要用來航拍錄像等，但傳輸距離很有限，往往一般就幾十米有效距離。很少有應(yīng)用到電力線路檢測方面。

參考文獻(xiàn)

[1]李勁松，楊煉，王樂天.小型四旋翼無人直升機(jī)自適 ?應(yīng)優(yōu)化控制[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2015（2） ： 202-20.

[2]鄒存名，姚婷婷，岳偉，等.多種算法下的四旋翼飛行器高度控制設(shè)計[J].控制工程，2017（1） ： 28-32.

[3]李航，王耀力.四旋翼飛行器中PID控制的優(yōu)化[J].電子技木應(yīng)用，2017（2） ： 73-76.

[4]萬曉鳳，康利平，余運(yùn)俊，等.互補(bǔ)濾波算法在四旋翼飛行器姿態(tài)解算中的應(yīng)用[J].測控技木，2015， 34（2） ： 8-11.

基金項目：省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（項目號202110201087）資助項