電力巡檢無人機的開發(fā)

彭惠芹,程 棟,白昱哲,崔何瑞

(山西大同大學,山西 大同 037003)

0 引言

無人機電力巡檢可解決人工作業(yè)勞動強度大、勞動效率低等問題,其優(yōu)勢在于作業(yè)準確性高及對周邊環(huán)境適應性強,無人機巡線比人工巡線質量及效率高,能有效降低檢測成本,及時發(fā)現(xiàn)缺陷,提升檢測作業(yè)的安全性,從而提高線路管理與維護水平。無人機巡檢是一種先進、科學、高效的電力巡線方式[1]。本研究設計了一款基于四旋翼飛行器的電力巡線機器人,運用多種控制方式搭建一個具有GPS導航和人為規(guī)劃路線功能的無人機,實現(xiàn)對指定巡檢電力線路及桿塔狀態(tài)的實時巡檢,根據(jù)巡檢計劃實施巡線,拍攝并存儲所發(fā)現(xiàn)的異常情況,將其傳送到地面顯示裝置上。無人機部分包括起飛、降落、定高、循跡及飛行方式的調試,巡檢巡線控制由色塊識別與GPS導航電路組成。無人機利用陀螺儀檢測飛行偏角,用A/D轉換構成閉環(huán),采用PID算法,通過PWM驅動電路控制無人機轉速,實現(xiàn)正常飛行。利用KEIL MDK5對飛行軌跡及飛行狀態(tài)進行相關程序的編輯軌跡,巡線控制則用Open MV攝像頭實現(xiàn)色塊識別,以GPIO 口輸出低電頻的方式控制GPS定位。主要研究內容包括無人機的制作、GPS的程序設計及遙控方式的實現(xiàn),如無人機機械結構的設計及制作、電路設計及相關控制程序設計等。

1 模塊方案與選擇

1.1 無人機結構組成

無人機由MSP 432控制器、OPEN MV 攝像頭、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)構成,系統(tǒng)結構見圖1。性能高和功耗低是MSP 432的顯著特點,具有高集成度,內核ARMMF的Core mark達到3.41/MHz,外圍優(yōu)化非常友好。傳感器系統(tǒng)包括用于空間定位的光流傳感器、高度傳感器、氣壓計、加速度計、電子羅盤及用于角運動檢測的陀螺儀及管理飛行航向與姿態(tài)的磁力計。OPEN MV 攝像頭通過攝像頭和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與MSP 432控制器進行控制與連接。飛行控制系統(tǒng)包含電子調速器和無刷電機兩部分。

圖1 系統(tǒng)結構Fig.1 System organization

1.2 視覺系統(tǒng)的論證與選擇

方案一:采用OPEN CV,內含開源視覺庫,不包括硬件,需額外配置攝像頭。

方案二:采用OPEN MV,硬件與軟件搭配攝像頭小型模塊,含有內置例程,便于學習與操作。

綜上,選擇方案二。

1.3 控制系統(tǒng)的論證與選擇

方案一:PID算法控制。PID算法的精髓是運用比例函數(shù)、微積分等函數(shù)關系進行運算,作為輸出控制的參數(shù)依賴于PID算法的最終運算結果,具有算法簡單及控制精度高的優(yōu)點,以PID算法作為本系統(tǒng)的控制滿足精確要求,節(jié)約了運算時間及單片機資源[2]。

方案二:模糊控制算法控制。該算法的優(yōu)點是不需要事先構建對象的數(shù)學模型。系統(tǒng)具有超調量小、響應快、過渡過程時間短等優(yōu)點,但需要處理的數(shù)據(jù)量大,增加了編程復雜程度。

綜上,選擇方案一。

1.4 軌跡編輯

方案一:利用Vscode,具有配置人性化、插件生態(tài)豐富、shortcuts功能、編輯效率高等優(yōu)點,但插件安裝多,導致內存增加。

方案二:利用KEIL MDK5,其對運行環(huán)境要求較低,體現(xiàn)在器件(Software Packs)與編譯器(MDK core)分離。

綜上,選擇方案二。

2 理論分析與計算

2.1 系統(tǒng)結構分析

四翼無人機負載后需要平穩(wěn)運行,需控制無人機的升力,而升力由無人機的電機轉速及機翼翼展長度決定。為了使無人機正常飛行,需對電機馬力和配對翼展進行計算,帶動巡線機構按照預定軌跡前進,以實現(xiàn)目標任務。

建立慣性坐標系和體坐標系,運用歐拉-拉格朗日法等方法對四旋翼飛行器進行數(shù)學建模,必要的參數(shù)計算如下:

則有:

化簡得微分方程:

得飛行器的拉格朗日型數(shù)學模型:

式中,u1—標量,是四旋翼螺旋槳轉動時產生的向上推力的總和。

2.2 電路程序設計

無人機利用KEIL MDK5對飛行軌跡及飛行狀態(tài)進行相關程序的編輯軌跡。圖2為無人機工作流程。無人機起飛高度設定在150 cm,當巡航識別到目標A時,無人機燈光閃爍提示識別目標A,按指定路線行進;其間拍攝并存儲發(fā)現(xiàn)的異常情況,傳送到地面顯示裝置上。當識別到邊界線時調整路線繼續(xù)前行,直至識別到物塊B,無人機停止燈光閃爍并按指定路線行至終點,無人機降落停機。此程序可依據(jù)人工規(guī)劃路線調整巡線環(huán)節(jié)及目標。

圖2 無人機工作流程Fig.2 Drone workflow

3 測試方案及測試結果

3.1 測試方案

測試重點在于無人機起降、定點懸停、自主避障及對目標的自動識別測試能力[4],測試場地:①作業(yè)起始區(qū):藍色空心圈為無人機起降區(qū),飛行器在“十”字起降點垂直起飛,升空至150±10 cm巡航高度。②二維碼所在區(qū):在作業(yè)區(qū)放置一只高度為150 cm、直徑3.5±0.5 cm的紅色桿塔,桿塔上套有圓環(huán)形條形碼。③預定巡航路線:灰色直線為預定路線。④飛行器用啟閉可控、垂直向下安裝的激光筆閃爍光點表示巡航動作路線。根據(jù)預定軌跡運行,激光筆按計算速度于相應區(qū)域即時閃爍,遇到二維碼桿時自動避障。

3.2 測試結果與分析

數(shù)字為激光閃爍次數(shù),巡檢運行基本符合任務所需,偶爾出現(xiàn)不符合實驗預期的結果,預期偏差較小。飛行參數(shù)經過多次測試及調整得出了比較滿意的數(shù)據(jù)。表1為飛行器飛行測試的PID數(shù)據(jù),由表1可見,無人機控制性能良好,采用PID算法控制器能夠提供更強的魯棒性及更高的跟蹤準確性[2]。

表1 四旋翼飛行器實際飛行的PID數(shù)據(jù)

4 結束語

電力巡線機器人的開發(fā)解決了人工作業(yè)勞動強度大、勞動效率低等問題,作業(yè)準確性高,對周邊環(huán)境適應性強,能有效降低檢測成本,及時發(fā)現(xiàn)缺陷,提升檢測作業(yè)的安全性,從而提高線路管理及維護水平。