GPS/INS組合導航在輸電線路巡檢中的應用

孟祥萍 寇 磊 苑全德 皮玉珍

(長春工程學院電氣與信息工程學院1，吉林 長春 130012；東北電力大學信息工程學院2，吉林 吉林 132012)

GPS/INS組合導航在輸電線路巡檢中的應用

孟祥萍1寇 磊2苑全德1皮玉珍1

(長春工程學院電氣與信息工程學院1，吉林 長春 130012；東北電力大學信息工程學院2，吉林 吉林 132012)

針對輸電線路常規人工巡檢耗費時間、人力成本增加的問題，采用無人機作為載體，減少了時間及人力成本。無人機使用地面站軟件配合GPS/INS進行預設巡檢路線，并能在巡檢過程中進行實時監測。提出了基于卡爾曼濾波器和雙閉環PID控制相結合的方法，以卡爾曼濾波器抑制噪聲干擾；在雙閉環控制中，采用內環調節速率、外環控制無人機姿態，從而有效防止了因無人機抖動導致的飛行失控，完成了常規巡檢工作。

GPS/INS 嵌入式技術 電力系統 無人機 實時監測 卡爾曼濾波器 PID 巡檢

0 引言

在大部分山區、高原及環境惡劣的地方，輸電線路巡檢工作依靠人工完成，費時費力，同時還很難發現事故的隱患。無人機以其低成本、高效率、省時省力以及不受地形環境限制的特點，正逐漸在電力巡檢方面代替人力[1]。

近年來，隨著嵌入式技術的迅猛發展，采用無人機作為載體來完成輸電線巡檢已成為可能。飛行控制技術是無人機的核心部分，其實現了對無人機整個飛行過程的控制，完成了傳輸數據、實時控制等功能。無人機使用GPS/INS組合導航方式，GPS導航可以為INS導航提供實時的數據刷新，防止無人機偏離方向。無人機采用NuttX操作系統，其具有實時性、高可靠性、標準兼容性、小型封裝以及從8位到32位微控制器的高度可擴展性等特點，可以成為無人機的控制操作系統部分，使無人機的飛行控制具備硬實時性、高精度、智能化、網絡化等特點。

在無人機的控制算法中，數字PID控制被普遍采用。本文采用卡爾曼濾波器與雙閉環PID控制算法相結合的方法，控制時間短，沒有出現超調和波動現象，提高了無人機抗干擾以及防抖動的能力，可以有效提高巡檢作業的效率和質量，很好地提升了電力行業生產自動化水平和能力，創造了良好的經濟效益。

1 無人機研究現狀

國內外無人機目前主要應用于軍事方面，民用無人機還處于初級階段，可開發和應用的領域非常廣闊。

在民用方面，無人機在地圖測繪、地質勘測、災害監測、氣象探測、空中交通管制、邊境控制、通信中繼、農藥噴灑等領域的研究和應用得到了不斷的發展和進步。各領域的作業要求不同，如進行國土測繪與對海洋、高壓線路、災情及氣象等進行監測，因此對無人機技術的要求是不一樣的。無人機在海洋區域監測需要的抗風能力要高于高山地區；氣象監測要求無人機進到臺風眼中還要能夠安全返回；對災情進行監測回傳的遙感信息圖像只需要能夠看清地面的所有物品就行了；而監測輸電線路就必須能夠看清線上的細節。國內的民用無人機當前應用比較多的還是低空遙感測繪無人機，以其被列入國家測繪局十二五規劃而推進、推廣力度加大。

隨著電力系統等級的不斷提高，巡檢范圍不斷擴大。此外，還有一些地形復雜地區的巡檢任務難以即時發現，輸電線路巡檢的成本不斷提高，依靠人力完成巡檢已經不再是一種明智的選擇。隨著無人機續航時間和抗風能力的增強，且具有搭載光學任務系統吊艙的能力[2]，為輸電線路巡檢提供了新的有效解決方案。和人工巡檢相比，無人機巡檢具有巡檢時間短、質量高、成本低、風險低和機動性強等特點。

飛行控制系統是無人機的核心[3]，文獻[3]中提到了很多關于無人機控制的經典算法，其中包括反步控制、滑模變結構控制等。反步控制系統應用于無人機控制，具有穩定性較高、誤差收斂速度快的優點，但其魯棒性以及作動器的速率和位置飽和問題依然存在。滑模變結構控制的響應快，但是當狀態軌跡到達滑模面后，很難沿著滑膜面向平衡點移動，只是在滑模面兩側來回穿越，會產生抖動現象，導致無人機失控甚至墜毀。基于以上兩種算法的問題，提出了卡爾曼濾波器與雙閉環PID控制算法相結合的方法，卡爾曼濾波器[4]很好地抑制了噪聲干擾，結合內環控制飛行速度，外環控制飛行姿態的雙閉環控制[5]方法，控制過渡時間短，沒有出現超調和波動現象，有效地防止了無人機的抖動，抗干擾能力增強，具有很好的自適應能力。

2 系統硬件設計

無人機巡檢系統由無人機、遙控器、通信設備、機載設備和地面站五部分組成。對于無人機而言，其電路構架要簡單，且需具備體積小、質量輕、低功耗、抗干擾能力強、重心平衡、模塊化設計以及可升級、擴展方便等特點。在進行設計的時候，需要綜合考慮這些特性，以滿足總體的優化設計。硬件系統設計如圖1所示。

圖1 硬件系統框圖

Fig.1 Block diagram of hardware system

3 系統軟件設計

3.1 內核系統移植

NuttX是一個實時操作系統，強調標準兼容和小型封裝，主要遵循Posix和ANSI標準，對于這些標準下不支持的功能，采用來自unix和常見RTOS(如VxWorks)的額外標準API。NuttX可以構建為開放的、平面的嵌入式RTOS，或者單獨構建為具有系統調用接口的微內核。NuxttX編譯環境可以選擇windows平臺，也可以選擇linux平臺。這里選擇的是linux平臺，操作系統采用Ubuntu12.04。

安裝交叉編譯器，下載gcc-arm-none-eabi-4_8-2014q3-20140805-linux.tar.bz2，解壓到/opt/px4目錄下；設置環境變量，在/etc/profile文件的后面加入export PATH=$PATH:/opt/px4/gcc-arm-none-eabi-4_8-2014q3/bin，重啟后即可永久生效。

然后下載NuttX內核源碼，NuttX的配置系統由Kconfig、Makefile和配置工具組成。內核的Makefile分為最頂層的Makefile、內核的當前配置文檔.config、體系結構相關的Makefile、一些Makefile的通用規則和kbuild Makefile。NuttX的主Kconfig文件是nuttx/Kconfig，然后調用各目錄下的Kconfig。 nuttx/.config是預設的.config文件，從nuttx/config/<板卡>/<目標配置>/defconfig復制而來。 nuttx/Make.defs從nuttx/config/<板卡>/<目標配置>/Make.defs復制而來。在nuttx目錄下執行make menuconfig命令，讀取預設的.config文件，調出基于文本菜單的配置界面。根據自己的需求進行定制，這里選擇的構建環境是linux、處理器為STM32，同時，選擇支持的外設(如I2C，UART等)，并配置設備驅動和應用程序選項(如NuttShell的支持)等。退出時，選擇YES保存，即生成新的.config文件。執行make后，可生成NuttX內核文件和NuttX的應用程序。

3.2 地面站軟件開發

在開發地面站軟件時，選擇的是Qt4.8.5。這是一個跨平臺的C++圖形用戶界面的應用程序框架。Qt的良好封裝機制使得Qt的模塊化程度非常高，可重用性好，有豐富的API。地面站軟件與無人機通信采用的是無線串口通信方式。

選擇串口，設置波特率，按打開串口進行連接，就可以使飛控和計算機進行連接，通過地面站軟件可以對無人機進行參數預設，如PID參數、飛行高度等，設置巡檢路線，顯示無人機通過攝像頭采集的圖像信息。

4 無人機巡檢

4.1 飛行姿態與速度控制

在無人機的控制過程中，通過陀螺儀、加速度計、電子羅盤傳感器來獲得無人機的位姿[6]和速度，實現雙閉環PID控制[7-8]，并進行卡爾曼濾波器抑制噪聲干擾，使無人機更快、更穩地接近預定的航向。在現代隨機最優控制和隨機信號處理技術中，信號和噪聲通常是多維的非平穩隨機過程。因此，在無人機的控制過程中，采用卡爾曼濾波器對信號進行濾波處理。

對于離散域線性系統[9-10]，有：

(1)

式中:w(k)為控制過程中的噪聲信號;v(k)為測量噪聲信號。

離散卡爾曼濾波器遞推算法為:

(2)

P(k)=AP(k-1)AT+BQBT

(3)

P(k)=[In-Mn(k)C]P(k)

(4)

x(k)=Ax(k-1)+ Mn(k)x[yv(k)-CAx(k-1)]

(5)

ye(k)=Cx(k)

(6)

采用卡爾曼濾波器的閉環PID控制，如圖2所示。

圖2 PID 控制系統框圖

Fig.2 Block diagram of PID control system

被控對象的二階傳遞函數為：

(7)

仿真對照如圖3所示。由圖3可知，通過采用雙閉環PID控制與卡爾曼濾波器結合[11]，收斂速度快，提高了無人機的抗干擾能力，使無人機能很快達到穩定狀態。

采用四旋翼無人機，在電機1和電機3逆時針旋轉的同時，電機2和電機4順時針旋轉。因此，當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。無人機飛行狀態如圖4所示。

圖3 仿真對照圖

Fig.3 Contrast of simulation

圖4 飛行狀態圖

Fig.4 Diagram of flight state

在圖4中，電機1和電機3為逆時針旋轉，電機2和電機4為順時針旋轉，規定沿X軸正方向為向前運動，箭頭沿Z軸向上表示此電機轉速提高，向Z軸下方表示該電機轉速下降。

(8)

①垂直運動：在圖4(a)中，當公式(8)中的所有Δv>0時，得到總的向上的升力足以用來克服機身的重力時，便可以垂直上升；當Δv<0時，則垂直下降，直到平衡落地，實現了沿Z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，產生升力與飛行器的重力平衡時，可以保持懸停狀態。

②俯仰運動：在圖4(b)中，當式(8)中的Δv1>0、Δv3<0、|Δv1|=|Δv3|、Δv2=Δv4=0時，產生的不平衡力矩使機身繞Y軸旋轉；同理，當Δv1<0、Δv3>0、|Δv1|=|Δv3|、Δv2=Δv4=0時,機身便繞Y軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的俯仰運動。

③滾轉運動：在圖4(c)中，當公式(8)中的Δv2>0、Δv4<0、|Δv2|=|Δv4|、Δv1=Δv3=0時，可使機身繞X軸方向旋轉；同理，當Δv2<0、Δv4>0、|Δv2|=|Δv4|、 Δv1=Δv3=0時，便繞X軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的滾轉運動。

④偏航運動：在圖4(d)中，當公式(8)中的Δv1>0、Δv3>0、Δv2<0、Δv4<0時,旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞Z軸轉動，實現飛行器的偏航運動。

4.2 巡檢方式

無人機巡檢一般采用在巡檢線路位置的斜上方，沿著預定巡檢方向飛行，具體飛行路徑大致如圖5所示。

圖5 飛行方式圖

Fig.5 Diagram of flight mode

通過地面基站軟件設置巡檢路線，可以設置飛機定高，依次飛過各巡檢點，并返航起飛點。依靠無人機的羅盤和GPS功能，配合離線地圖來完成巡檢路線的設定。巡檢工作人員通過地面基站軟件，觀測無人機攝像頭采集的輸電線路的實時圖像來完成線路的巡檢。當出現意外情況，如電池能量不夠時，可以通過地面基站軟件控制無人機的飛行，并隨時改變巡檢路線。

5 結束語

以無人機代替人工來完成輸電線路巡檢，不僅減

少了勞動力，降低了巡檢成本，還使巡檢過程更加優化。無人機采用實時、可靠的嵌入式操作系統，配合地面站軟件，使巡檢人員可以實時控制無人機，制定有效的巡檢方式。通過機載攝像頭，在地面站軟件上顯示出輸電線路的影像，可及時發現輸電線路存在的隱患及問題。通過采用GPS/INS組合導航方式，避免了無人機偏離軌跡的情況。通過采用基于卡爾曼濾波器的雙閉環PID控制方式，使無人機更快、更穩定地進入預定的飛行模式，提升了抗干擾能力，保證了系統的穩定性，有效地提高了系統的精度和自適應能力。

[1] 林韓,林朝輝,湯明文,等.電力輸電線路無人直升機巡視的應用[J].華東電力,2011(10):1657-1660.

[2] 湯明文,戴禮豪,林朝輝,等.無人機在電力線路巡視中的應用[J].中國電力,2013(3):35-38.

[3] 李一波,李振,張曉東.無人機飛行控制方法研究現狀與發展[J].飛行力學,2011(2):1-5,9.

[4] 鄒凌,孫玉強,孫琦.基于卡爾曼濾波器的PID控制仿真研究[J].微計算機信息,2007,23(6S):79-81,157.

[5] 黃黎芬,姜建國.一種新型基于雙閉環PID控制的SVC控制系統研究[J].系統仿真學報,2007(8):1803-1806,1868.

[6] XIONG J J,ZHENG E H.Position and attitude tracking control for a quadrotor UAV[J].ISA Transactions,2014,53(3):725-731.

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[8] MOUAYAD A SAHIB.A novel optimal PID plus second order derivative controller for AVR system[J].Engineering Science and Technology,2015,13(21):194-206.

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[11]ZIHAJEHZADEH S,LOH D,LEE T J,et al.A cascaded Kalman filter-based GPS/MEMS-IMU integration for sports applications[J].Measurement,2015(73):200-210.

Application of GPS/INS Integrated Navigation in Inspection of Transmission Line

The inspection of transmission lines using manpower is time-consuming and increasing labor costs; while using unmanned aerial vehicle (UAV) as the carrier may reduce time consumption and manpower costs. With help of ground station software and GPS/INS, the inspection route is preset; and real time monitoring can be carried out during inspection process. The method based on combination of Kalman filter and dual closed loop PID control is proposed. Kalman filter is used to suppress noise interference; the inner closed loop of the dual closed loop control is used to regulate the speed, and the outer loop is used to control attitude of UAV; thus the flight out of control caused by shaking of UAV might be avoided, for achieving the inspection perfectly.

GPS/INS Embedded technology Power system UAV Real time monitoring Kalman filter PID Inspection

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究基金資助項目(編號：2014324)；

吉林省科技發展計劃基金資助項目(編號：No20150203002SF)；

長春市科技計劃基金資助項目(編號：14KG026)。

孟祥萍(1961—)，女，2001年畢業于東北大學電氣工程及其自動化專業，獲博士學位，教授；主要從事智能控制理論及應用、電力系統安全性優化應用等研究。

TH6;TP3

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612014

修改稿收到日期： 2016-05-06。