基于四旋翼無人機的電氣設備在線監測系統的設計

曾德智 陳銳堅 廖栩榮 邱桂添 陳志堅

（五邑大學信息工程學院，廣東 江門 529020）

電氣設備需要定期進行巡檢，一些重要的電氣設備例如大型變壓器等會安裝在線監測裝置，這些裝置結合通信系統通常價格非常昂貴，難以普及到常規低成本的電氣設備上。而架空輸電線路往往會采取人工巡檢的方式，費時費力。無論是人工巡檢還是單一來源傳感器的故障在線檢測常常會出現一些誤判斷和誤操作，造成損失。一些分散布置在偏遠山區的中的重要電氣設備的后期運營維護是一個十分棘手的問題。

本文提出了一項基于四旋翼無人機的電氣設備在線監測系統，綜合利用其空中優勢，全方位、高精度檢查線路情況，搭建了一個基于信息融合模型的電氣設備的故障檢測系統，彌補了人工巡線的不足，大大提高工作效率。

1 系統的總體結構

本系統的整體模型如圖1所示，分別是模擬電線桿塔模型圖和檢測設備實物圖（無人機及機載熱紅外成像儀）。本系統的總體框架如圖2所示，主要分為飛控模塊、電氣量檢測模塊和無線充電模塊三大部分，其中飛控模塊采用STM32系列微處理器作為核心處理器，配以陀螺儀以及加速度計作精確的飛行器實時姿態控制[1-2]，再以氣壓計與 GPS作三維導航，使飛行器實現自主懸停巡檢以及對重要電氣設備進行分布式傳感器數據采集[3-4]。電氣量檢測模塊通過 AD轉換采集互感器的電流電壓數據[5]，實時監控。以及采用 FLIR公司的熱紅外成像儀機芯采集高壓線路或設備的熱紅外圖像[6]，結合電流、電壓和圖像三組數據在地面站進行信息融合，從而分析和判斷電氣設備的健康狀況。利用檢測到的電氣量數據在軟件平臺上進行初步的分析，列出電氣設備中可能出現的故障參數給出置信度區間，并生成診斷報告。同時考慮到飛行器續航能力不足的問題，本設計加入了中途定點無線充電系統，該系統通過GPS定位以及圖像分析使飛行器精確定位到充電平臺，并通過無線充電系統進行續航充電。

圖1 模型設備實物圖

圖2 系統框架圖

2 電氣設備在線監測系統功能設計與實現

2.1 在線監測功能

本系統的在線監測功能的設計如圖3所示，在飛行器執行任務前，用上位機向無人機寫入目標電氣設備的經緯度坐標以及高度等信息，當接收到開始執行任務的命令后，飛行器便會自行飛行到目標航點，然后開啟熱紅外成像儀，采取LM1881同步信號分離芯片讀取出模擬信號的場中斷以及行中斷，用TCL5510高速AD轉換芯片把模擬信號轉為8位數字信號，通過芯片采集數字信號，編碼并儲存在SD卡中[7-8]。任務過程中，飛行器定時檢測自身蓄電池電量，若低于設定閥值，則暫停任務并自主飛行至附近的無線充電平臺進行自主無線充電；若電量充足，則繼續執行巡檢任務。任務完成后，飛行器自主返航到起飛點。每當飛行器在進入電網檢測點的通信范圍內，飛行器將通過無線通信獲取該電氣設備監控點所采集到的電流電壓等電氣量數據。飛行器返航后，與上位機通信通過軟件進行信息融合初步分析，列出電氣設備中可能出現的故障參數給出置信度區間，并生成診斷報告，從而分析和判斷電氣設備的健康狀況。

圖3 功能流程

2.2 無線充電功能

無線充電模塊采用電磁共振耦合的方式[9]。分為發射和接收兩個部分，其中發射部分的控制電路采用 STM32F103C8作為核心處理器，同時作為脈沖信號發生器，負載檢測信號處理器以及電能質量數據存儲機構。處理器產生的脈沖信號驅動 MOS管，激勵 LC震蕩電路產生固定頻率的正弦交變電流并獲得交變磁場。檢測電路每 10s檢測一次，當檢測到有負載時保持 響應，無負載則斷開，以降低空載時的功耗。頻率設定為 500kHz以下，其中電感采用銅質多芯線圈做成，為發射磁場線圈，直徑約為30cm。該模塊電源輸入與功率輸出視接收端而定，可以通過調節電位器實現，最大輸出功率100W。

接收部分分為接收線圈和整流穩壓兩部分。接收線圈采用鋁質線，具有質量輕的特點且電阻小適合飛行器搭載，線圈直徑與形狀與發射線圈一致。當接收線圈接近發射線圈時，通過電磁感應使得接收線圈產生感應電壓，經整流濾波后供應飛行器電池充電。接收模塊要求輸出功率大于24W以滿足電池充電需求。

發射線圈鑲嵌于充電平臺內，接收線圈附在起落架內，停機時兩線圈在 10cm范圍內能保證穩定功率輸出。充電效率可達70%以上，與插座式傳輸相比，其靈活性強，不需精確對位。在各站點停留充電可克服飛行器續航能力差的缺點。完全省去了返回進行人工充電的步驟，實現了無人智能管理。另外充電平臺的上方設有降落臺標志物，用于飛行器的視覺定位以彌補GPS精度不能滿足飛行器精確降落的缺點。

2.3 信息融合故障分析功能

電氣設備的故障信號通過在設備運行狀態下采集電壓、電流、溫度信號，能直接得到狀態信息，但由于設備運行中的各種干擾，使得難以從中提取有效的故障信息。本文通過搭建信息融合故障分析平臺，構建以下模型（如圖4所示）來實現故障信息提取分析功能。

圖4 信息融合方法

其中，將多個傳感器采集到電氣設備狀態量數據（例如電壓、電流和溫度等）進行特征級融合，并作歸一化處理，即把采集到的數據在已知的先驗概率下對有用的信息進行采樣估計，得出最優估計信息集[U1，I1，T1]，[U2，I2，T2]，[U3，I3，T3]；利用這些信息結合專家經驗得到故障診斷信息集Y=[Y1，Y2，Y3]；再根據故障的先驗知識以及各診斷信息的重要程度，假設有模糊權重集A=[A1，A2，A3]；據此進行模糊評判P=Y*A得出故障初步分析結果；最后通過加權累加的方法，將模糊評判數據做最終的計算，得出設備故障分析報告[10]。

3 系統功能設計

本系統的軟件系統主要包括下位機和上位機兩部分。采用模塊化的設計方法，以減少軟件設計的工作量，縮短系統開發周期。

3.1 上位機

1）任務準備

飛行器執行任務前，需通過上位機設置任務航點信息，如經緯度，高度等（如圖5所示），并通過無線通信方法發送到飛行器保存。

圖5 確立航點

2）結果處理

飛行器執行任務完畢后，將通過無線通信的方法返回任務中采集到的數據，通過上位機的信息融合平臺進行人工或自動分析處理（如圖6（a）所示），并生成故障分析報告（如圖6（b）所示）。

圖6 設備故障分析

3.2 下位機

1）自主巡檢

飛行器在保存任務航點信息完畢并接收到任務開始命令后，將自主執行巡檢任務，到達目標點后，通過紅外設備采集目標物的熱信息，并通過無線通信方法采集所設監測點上傳的其他電氣參數。當任務結束后傳輸到上位機進行分析判斷。

2）人工巡檢

當遇到特殊情況需要人工進行更精確的操作時，操作人員可使用上位機或專用遙控來操作飛行器進行巡檢，熱圖像及其他電氣參數信息將實時的傳輸到上位機上以便分析判斷。

4 綜合調試方法及測試結果

4.1 無人機姿態調試

1）無人機姿態調試

無人機姿態控制使用互補濾波算法，通過對四元數的初始化和對加速度計的權值極大縮小以減弱虛擬角。姿態控制器主要用經典的單輸入單輸出（SISO）反饋控制方法（即 PID控制方法），結構簡單，不需要依賴精確的動態模型。姿態控制器采用串級雙環控制，即角速度作為外環，角加速度作為內環。測試飛行器姿態如圖7所示，可保證飛行器運動的穩定性和較好的抗干擾性。

圖7 姿態測試

2）無人機定位調試

無人機定位所需的位移數據可以用以下公式計算得出

f=1/298.257223563

Rea=6378137.0m

Reb=Rea（1-f）=635675.0m

而地心固定坐標系中坐標可以用下列公式計算：

再通過旋轉矩陣轉換成本地NED坐標系。由于GPS的測量數據的誤差不能滿足小型無人飛行器的精度要求，因此運用 LQR濾波器對其數據進行濾波，通過10個數據的窗口濾波后的加速度計的數據對GPS的數據進行補償，再使用經典PID方法傳遞給飛行器姿態控制器。

4.2 信息融合判斷測試

為驗證信息融合判斷方法的準確性，搭建了一段由三座模擬電線桿塔構成的220V輸電線路模型，其中桿塔A和桿塔B均為正常工作，桿塔C發生了接地短路故障。每隔30min采集電流互感器、電壓互感器等傳感器的數據并進行分析處理，得出報告見表1。

報告中，U、I、T分別代表電壓、電流、溫度，P1、P2、P3分別代表該點出現開路、短路、正常的概率。

5 結論

本文把各個模塊的優點糅合在一起，模塊之間既有分工又有合作，無人機執行任務效率高而且分析判斷準確，針對目前電氣設備檢修人員工作量繁重且安全隱患大等問題，利用更小巧靈活的無人機代替了人工，針對目前電力設備單一來源傳感器的故障在線檢測常常會出現一些誤判斷和誤操作等問題，利用上位機的信息融合技術分析技術能極大的減少誤判斷和誤操作，而且利用上位機向無人機寫入航點信息，更好的方便了檢修人員的工作。

表1 故障分析報告

[1] 譚淑梅. 簡析STM32單片機原理及硬件電路設計[J].大慶師范學院學報, 2014, 6(6): 21-23.

[2] 胡慶. 基于STM32單片機的無人機飛行控制系統設計[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2012.

[3] 周賀. 基于STM32單片機的三葉漿四旋翼飛行器設計[J]. 電腦知識與技術, 2014(21): 5126-5128.

[4] 凌金福. 四旋翼飛行器飛行控制算法的研究[D]. 南昌: 南昌大學, 2013.

[5] 王勇貞. 高速數據采集與存儲系統設計[D]. 太原:中北大學, 2013.

[6] 顧春洋, 李鑫, 張強. 基于SD卡的FAT32文件系統的設計與實現[J]. 產業與科技論壇, 2013, 2(2):96-98.

[7] 徐建功, 趙捷, 李偉, 等. 基于 STM32F103XX微處理器的Micro SD卡讀寫[J]. 現代電子技術, 2010(20):26-28, 32.

[8] 張宇, 石新春, 李琦. 無線輸電基本原理及應用研究[J]. 科技資訊, 2012(18): 132-133.

[9] 張斌. 磁耦合共振型無線輸電系統的研究[D]. 蘭州:蘭州理工大學, 2014.

[10] 文清豐. 基于多信息融合的電網故障診斷技術研究[D]. 北京: 華北電力大學, 2014: 3-11.