基于四旋翼飛行器的電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)

賈相為?鄭文龍?黃于晨?王本有

摘? 要：在電力系統(tǒng)中，由于受各種因素的影響，高壓電線(xiàn)表面、絕緣子串、桿塔、金具、導(dǎo)線(xiàn)掛點(diǎn)等部位會(huì)發(fā)生老化或損壞，需要不定期地進(jìn)行線(xiàn)路檢修。在電力巡檢機(jī)器人身上裝配了GPS定位模塊，運(yùn)用機(jī)械視覺(jué)圖像處理技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，使得巡檢機(jī)器人可以發(fā)現(xiàn)電力線(xiàn)路中存在的各種問(wèn)題，能夠做到實(shí)時(shí)提醒，保障用電安全。經(jīng)綜合測(cè)試分析，該機(jī)器人可以自主地完成巡線(xiàn)、拍照自動(dòng)儲(chǔ)存、障礙物檢測(cè)識(shí)別以及遠(yuǎn)程遙控等任務(wù)，有效解決了高壓線(xiàn)路的故障檢測(cè)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器;電力巡檢機(jī)器人;機(jī)械視覺(jué);無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;GPS

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）02-0169-05

Abstract： In the power system， various factors bring perishing or damage to the surface of high-voltage wires， insulator strings， poles and towers， metal fittings， wire hanging points and so on， causing the necessity of circuit maintenance at irregular intervals. The power inspection robot， equipped with GPS （Global Positioning System） positioning module， using mechanical vision image processing technology and wireless transmission technology， the inspection robot can find various problems in power lines， give real- time warnings， and ensure the electricity safety. Comprehensive tests and analyses testify that the robot can independently complete tasks such as inspecting line， automatic photographing and storing， detecting and recognizing obstacles， and remote controlling as well. The problem of fault detection of high voltage line is effectively solved.

Keywords： quadrotor aircraft; power inspection robot; mechanical vision; wireless data transmission; GPS

0? 引? 言

我國(guó)地大物博，地形復(fù)雜，人口眾多，作為與人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活關(guān)系最為緊密的主要能源——電力，其在全國(guó)的需求十分巨大。國(guó)家投入大量資金修建電網(wǎng)，電網(wǎng)線(xiàn)路復(fù)雜，遍布全國(guó)各地，保證全國(guó)各族人民都能安全用電，但在解決人民安全用電的同時(shí)也滋生了另一個(gè)大問(wèn)題——電網(wǎng)的維護(hù)。高壓電線(xiàn)架設(shè)高度一般在25～40米，電力工人在檢修高壓電線(xiàn)時(shí)需要在鐵塔之間的輸電線(xiàn)路上行走，這屬于高空作業(yè)，帶有一定的危險(xiǎn)性。

在電力工人作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)亟待降低的情境下，電力巡檢機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，該機(jī)器人主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子器件和系統(tǒng)軟件三部分組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要部分是四旋翼飛行器的機(jī)身，其整個(gè)機(jī)身全部采用高硬度、質(zhì)量輕的碳纖維材料，主要作用是充當(dāng)主控板、電路模塊、各種傳感器以及蓄電池等的載體。運(yùn)用機(jī)械視覺(jué)巡查和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，一定程度上減輕了人工電力巡檢的艱辛，不僅節(jié)省了人力成本，而且大大提升了線(xiàn)路巡檢的安全性。因此研發(fā)電力巡檢機(jī)器人在確保電網(wǎng)安全運(yùn)行方面是大有裨益，也是非常有必要的。巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

1? 硬件系統(tǒng)

電力巡檢機(jī)器人的硬件部分主要包括由主控電路、氣壓傳感器（SPL06）、電子羅盤(pán)（AK8975）、慣性傳感器（BMI088）、GPS北斗雙模定位模塊ATK1218-BD構(gòu)成的定點(diǎn)懸停，由機(jī)械視覺(jué)（OpenMv）構(gòu)成的發(fā)現(xiàn)異常拍照檢測(cè)系統(tǒng)[1]，由無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊（NRF24L01）構(gòu)成的通信系統(tǒng)，以及由ks103超聲波模塊和STM32F103C8T6微控制器構(gòu)成的自動(dòng)探測(cè)距離系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.1? 主控電路

硬件系統(tǒng)部分主控制器為T(mén)M4C13GH6PM單片機(jī)，它具有功耗低、接口豐富、控制方便、易于拓展等優(yōu)點(diǎn)。這一部分電路的主要作用為：控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)和STM32F103C8T6微控制器傳輸數(shù)據(jù)來(lái)控制四旋翼飛行姿態(tài)，解析OpenMv發(fā)送數(shù)據(jù)，將其位置信息和傳感器工作狀態(tài)信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊（NRF24L01）傳送給地面上位機(jī)。

1.2? 氣壓傳感器（SPL06）

SPL06是一種高精度、低電流消耗的小型雙氣壓計(jì)。SPL06既是溫度傳感器，也是壓力傳感器。壓力傳感器元件基于電容式傳感原理，確保溫度變化時(shí)的高精度。SPL06的內(nèi)部信號(hào)處理器可以將壓力和溫度傳感器元件的輸出轉(zhuǎn)換為24位結(jié)果。每個(gè)壓力傳感器都已單獨(dú)校準(zhǔn)并將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為真實(shí)的壓力值和溫度值。氣壓傳感器是用于測(cè)量氣體絕對(duì)壓強(qiáng)的，其主要功能是飛行器用以判斷其當(dāng)前高度是否正確[2]。

1.3? 電子羅盤(pán)（AK8975）

電子羅盤(pán)[3-7]是一種重要的導(dǎo)航工具，它能實(shí)時(shí)提供電力巡檢機(jī)器人的姿態(tài)和航向。該模塊采用高靈敏度霍爾傳感器技術(shù)，通過(guò)I2C讀取X、Y、Z軸的磁力計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)解算磁力計(jì)數(shù)據(jù)得出較為可靠的偏航角。但是只通過(guò)慣性傳感器（BMI088）解算出來(lái)的偏航角、歐拉角并不準(zhǔn)確，所以我們需要通過(guò)磁力計(jì)解算出來(lái)的偏航角予以修正，才能得出準(zhǔn)確的偏航。

1.4? 慣性傳感器（BMI088）

慣性傳感器是用于檢測(cè)和測(cè)量加速度、振動(dòng)、沖擊、傾斜、旋轉(zhuǎn)和多自由度（Degree of Freedom， DF）運(yùn)動(dòng)的一種傳感器。慣性傳感器（BMI088）是一款高性能6軸慣性傳感器，由16位數(shù)字三軸±2 000°/s陀螺儀和16位數(shù)字三軸±24 g加速度計(jì)組成，允許高精度測(cè)量方向和沿三個(gè)正交軸的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，可以很好地實(shí)現(xiàn)三維的比力和角速率測(cè)量，抑制飛行器發(fā)生漂移[8]。

1.5? GPS北斗雙模定位模塊

由于是在室外工作，巡檢機(jī)器人必須搭載定位模塊，用于測(cè)量四旋翼飛行器的飛行速度以及四旋翼飛行器的位置信息[9]。如果巡檢機(jī)器人未搭載定位模塊，則其在戶(hù)外工作中飛行到一定高度后就無(wú)法實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停，會(huì)出現(xiàn)飛行器跑丟的情況。在這里我們使用的定位模塊是GPS北斗雙模定位模塊ATK1218-BD，芯片采用的是S1216芯片，通信協(xié)議使用的是NMEA-0183協(xié)議，定位精度在2.5 mCEP，數(shù)據(jù)更新速率最高可達(dá)20 Hz，捕獲追蹤靈敏度為-165 dbm，工作溫度在-40 ℃～85 ℃之間，完全能夠經(jīng)受住高空作業(yè)時(shí)的環(huán)境溫度。此外，其外形小巧、便于搭載、價(jià)格便宜，非常符合我們巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)需求。為防止模塊突然斷電導(dǎo)致星歷數(shù)據(jù)的丟失，該模塊上裝有小型紐扣電池，如果模塊在掉電半小時(shí)以?xún)?nèi)重新上電，該模塊便可在幾秒內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)定位，真正做到了秒定。

1.6? 機(jī)械視覺(jué)（OpenMv）

機(jī)械視覺(jué)采用OpenMv，一是因其體積小便于搭載在四旋翼飛行器上，二是因其具有成本低、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。OpenCv雖然功能強(qiáng)大、像素高，但其開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、體積大不便于搭載在四旋翼飛行器上，因此被舍棄。這里我們使用的是32位處理器的OpenMv4H743II，STM32H743II是一款基于ARMCortex M7內(nèi)核STM32系列的32位微控制器，主頻高達(dá)480 MHz，擁有1 MB RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）和2 MBflash（程序存儲(chǔ)器），OpenMv4H743II的像素高達(dá)500 W，完全能夠滿(mǎn)足我們的需求。主要利用其顏色及形狀等智能識(shí)別算法檢測(cè)高壓電線(xiàn)故障問(wèn)題并進(jìn)行拍攝和存儲(chǔ)故障照片[10，11]。

1.7? 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊（NRF24L01）

Si24R1是一款工作在2.4～2.5 GHz，世界通用ISM頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)。是目前2.4 G無(wú)線(xiàn)射頻芯片中，性?xún)r(jià)比較高的一款芯片。

NRF24L01是一款挪威NordicVLSI公司出品的工作在2.4 GHz的國(guó)際通用無(wú)線(xiàn)數(shù)傳芯片。其靈敏度高，發(fā)射功率大，并且支持125個(gè)通信頻率，是目前市場(chǎng)上主流的2.4 G無(wú)線(xiàn)射頻芯片，其功耗低于Si24R1。增強(qiáng)型的Enhanced ShockBurstTM傳輸模式，使得NRF24L01支持6個(gè)數(shù)據(jù)通道，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，此外，NRF24L01還支持250 k、1 Mbps和2 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。使用SPI通信與MCU完成數(shù)據(jù)信息通信與通信控制等功能。

考慮到巡檢機(jī)器人高空作業(yè)時(shí)的功耗問(wèn)題，我們選擇NRF24L01作為巡檢機(jī)器人的通信模塊。通過(guò)此模塊將巡檢機(jī)器人的飛行狀態(tài)、飛行姿態(tài)以及各傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到地面上位機(jī)。

1.8? 自動(dòng)探測(cè)距離裝置

該探測(cè)裝置的主控使用的是STM32F103C8T6微控制器，它是一款基于ARM Cortex M內(nèi)核STM32系列的32位微控制器，屬于中等容量單片機(jī)，flash容量為64 KB，主頻高達(dá)72 MHz。擁有3個(gè)高速串口、2個(gè)IIC等豐富的外圍設(shè)備，完全能夠滿(mǎn)足該裝置對(duì)主控的要求。距離的測(cè)量使用的是高性能、低功耗超聲波（ks103），該超聲波支持IIC和TTL兩種通信方式，這里使用的是IIC通信，通信速率為50～100 kbit/s，探測(cè)速率可達(dá)500 Hz，不僅探測(cè)速度快而且精度高（精度達(dá)1 mm～3 mm）。自帶濾波降噪器，在受到較大噪音干擾時(shí)，仍可正常工作。其配置方法也比較簡(jiǎn)單，只需向超聲波（ks103）發(fā)送指令時(shí)序“IIC地址+寄存器2 +0x70/0x71/0x72/0x73/0x74/0x75”即可，發(fā)送完成后延時(shí)至少2秒，以讓系統(tǒng)自動(dòng)完成配置。所以該裝置總的工作流程為：STM32F103C8T6微控制器向超聲波（ks103）發(fā)送探測(cè)指令，超聲波（ks103）收到探測(cè)指令后立即開(kāi)始探測(cè)并將探測(cè)到的距離數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給STM32F103C8T6微控制器，STM32F103C8T6微控制器再將超聲波（ks103）發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給TM4C13GH6PM飛控。

2? 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要由飛行姿態(tài)實(shí)時(shí)控制功能模塊、圖像處理功能模塊、自動(dòng)探測(cè)距離功能模塊、人機(jī)交互界面等4個(gè)功能模塊組成。系統(tǒng)總流程圖如圖2所示。

2.1? 飛行姿態(tài)實(shí)時(shí)控制

系統(tǒng)利用慣性傳感器采集飛行姿態(tài)參數(shù)并傳送給TM4C13GH6PM單片機(jī)，采用卡爾曼濾波算法根據(jù)氣壓計(jì)和羅盤(pán)采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算得出期望姿態(tài)角，然后通過(guò)PID控制算法[12]，將期望姿態(tài)角轉(zhuǎn)化為PWM值輸出到電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行姿態(tài)的實(shí)時(shí)控制。PID控制算法的輸入e（t）與輸出U（t）的關(guān)系為：

單極PID適用于線(xiàn)性系統(tǒng)，四旋翼飛行器輸出的電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速并非呈正比關(guān)系，因此四旋翼飛行器不是線(xiàn)性系統(tǒng)，四旋翼飛行器通常被簡(jiǎn)化為一個(gè)二階阻尼系統(tǒng)。螺旋槳轉(zhuǎn)速和升力是平方關(guān)系，單極PID在四旋翼上很難取得理想效果，因此我們采用串級(jí)PID算法。串級(jí)PID就是將兩個(gè)PID串在一起，分為內(nèi)環(huán)PID和外環(huán)PID。我們采用內(nèi)環(huán)PID控制角速度，外環(huán)PID控制角度。單極PID輸入的是期望角度，反饋的是角度數(shù)據(jù)，串級(jí)PID中外環(huán)輸入的是期望角度，反饋的也是角度數(shù)據(jù)，內(nèi)環(huán)輸入的是角速度數(shù)據(jù)，反饋的便是角速度數(shù)據(jù)。串級(jí)PID框圖如圖3所示。

對(duì)電機(jī)組進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停、一鍵起飛定高和降落等指定功能。其核心代碼為：

static void Loop_Task_0（）//1ms執(zhí)行一次

{ Fc_Sensor_Get（）; //傳感器數(shù)據(jù)讀取

Sensor_Data_Prepare（1） ;//慣性傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

IMU_Update_Task（1）;//姿態(tài)解算更新，如果偏轉(zhuǎn)關(guān)閉電子羅盤(pán)，獲取WC_Z加速度

WCZ_Acc_Get_Task（）;

WCXY_Acc_Get_Task（）;

ANO_DT_Data_Exchange（）; //數(shù)傳數(shù)據(jù)交換

}

static void Loop_Task_1（u32 dT_us） //2ms執(zhí)行一次

{float t1_dT_s;

t1_dT_s = （float）dT_us *1e-6f;

Att_1level_Ctrl（2*1e-3f）; //姿態(tài)角速度環(huán)控制

Motor_Ctrl_Task（2）; //電機(jī)輸出控制

}

static void Loop_Task_2（u32 dT_us） //6ms執(zhí)行一次

{float t2_dT_s;

t2_dT_s = （float）dT_us *1e-6f;

calculate_RPY（）;//獲取姿態(tài)角（ROLL PITCH YAW）

User_my_yaw_2level（6，line）; //尋線(xiàn)YAW（航向角）修正

Att_2level_Ctrl（6e-3f，CH_N）; //姿態(tài)角度環(huán)控制

}

static void Loop_Task_5（u32 dT_us）//11ms執(zhí)行一次

{

float t2_dT_s = （float）dT_us *1e-6f;//0.008f

WCZ_Fus_Task（11）; //高度數(shù)據(jù)融合任務(wù)

GPS_Data_Processing_Task（11）;

Alt_1level_Ctrl（11e-3f）; //高度速度環(huán)控制

Alt_2level_Ctrl（11e-3f）; //高度環(huán)控制

AnoOF_DataAnl_Task（11）;

}

2.2? 圖像處理功能

使用OpenMv自帶顏色和形狀識(shí)別算法對(duì)巡檢電線(xiàn)進(jìn)行拍攝分析，如果識(shí)別到異常，OpenMv會(huì)向巡檢機(jī)器人發(fā)送異常信息，巡檢機(jī)器人接收到異常信息后會(huì)立即向OpenMv發(fā)送拍照指令，OpenMv拍完照片后會(huì)自動(dòng)保存。該部分流程圖如圖4所示。

2.3? 自動(dòng)探測(cè)距離功能

STM32F103C8T6微控制器通過(guò)IIC通信向ks103超聲波發(fā)送探測(cè)指令，超聲波（ks103）接收到指令后開(kāi)始探測(cè)，并將探測(cè)到的距離通過(guò)串口發(fā)送給STM32F103C8T6微控制器，最終STM32F103C8T6微控制器再將自己接收到的距離信息通過(guò)串口發(fā)送給TM4C13GH6PM微控制器。該部分流程圖如圖5所示。

2.4? 人機(jī)交互

將處理器中的傳感器數(shù)據(jù)、蓄電池電壓以及飛行器的飛行狀態(tài)等信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊（NRF24L01）實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示。通過(guò)上位機(jī)也可以實(shí)時(shí)控制飛行器的飛行狀態(tài)以及使飛行器緊急降落。

3? 測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

從三個(gè)方面對(duì)飛行器工作性能進(jìn)行測(cè)試及結(jié)果分析：

（1）飛行器定高巡航測(cè)試。通過(guò)設(shè)定高度，利用卷尺測(cè)量，飛行器自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)并發(fā)送到上位機(jī)PC上，一鍵起飛定高后，飛行器到達(dá)設(shè)定高度后自動(dòng)懸停，然后使用卷尺測(cè)量巡航高度，飛行器的巡航高度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

（2）巡航測(cè)試。設(shè)置障礙物6處、電線(xiàn)破損3處、接點(diǎn)老化變色3處、經(jīng)多次測(cè)試，識(shí)別率達(dá)100%，能及時(shí)拍照、保存并轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)PC上。

（3）巡檢過(guò)程中巡檢機(jī)器人與電線(xiàn)的安全距離測(cè)試。安全距離設(shè)置為45 cm，測(cè)試過(guò)程中通過(guò)人為移動(dòng)電線(xiàn)來(lái)模擬實(shí)際工作中電線(xiàn)角度的變化，利用卷尺測(cè)量，飛行器上搭載的自動(dòng)探測(cè)距離裝置將探測(cè)到的距離數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)PC上，巡檢過(guò)程中安全距離測(cè)試結(jié)果如表2所示。

測(cè)試結(jié)果分析：一鍵起飛定高巡航測(cè)試能夠準(zhǔn)確完成，誤差較小，但模擬環(huán)境較簡(jiǎn)單，實(shí)際測(cè)試環(huán)境下還要進(jìn)一步優(yōu)化。

4? 結(jié)? 論

使用者只需將該智能電力巡檢機(jī)器人放到需要巡檢的高壓電線(xiàn)下，接通電源并解鎖，該機(jī)器人即可開(kāi)始巡檢工作，其在檢測(cè)到異常情況時(shí)會(huì)自動(dòng)拍照并存儲(chǔ)，整個(gè)過(guò)程不需要人為干預(yù)，使用者可在距離其2千米以?xún)?nèi)的地方通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)良好，可以自主完成巡線(xiàn)、拍照自動(dòng)儲(chǔ)存、障礙物檢測(cè)識(shí)別等功能。不僅提高了巡檢效率，而且降低了巡檢成本，同時(shí)電力工人的安全也得到一定的保障。我國(guó)是一個(gè)電力大國(guó)，該巡檢機(jī)器人對(duì)于改變我國(guó)人工電力巡檢工作具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：賈相為（1999—），男，漢族，安徽阜陽(yáng)人，本科在讀，研究方向：智能控制;鄭文龍（2000—），男，漢族，安徽合肥人，本科在讀，研究方向：智能控制;黃于晨（2002—），女，漢族，安徽淮南人，本科在讀，研究方向：智能控制;通訊作者：王本有（1970—），男，漢族，安徽六安人，副教授，碩士，研究方向：機(jī)器人與智能控制應(yīng)用。