基于GPS導航無人機巡線指揮系統設計

王 勇

基于GPS導航無人機巡線指揮系統設計

王 勇

南京中設航空科技發展有限公司，江蘇 南京 210000

分析了無人機的飛行原理，闡述了無人機巡查作業的系統設計規劃，最后結合多年工作經驗與大量資料文獻，圍繞基于GPS導航視角，對無人機巡線指揮系統設計進行了研究探討，旨在提升無人機巡線指揮系統的設計水平。

GPS導航；無人機；巡線指揮系統

1 剖析無人機的飛行原理

本文涉及的無人機為四旋翼無人機。該無人機飛行需同時控制4個電機轉速，以實現拉力變化。在旋轉過程中，無人機槳葉除了會產生巨大拉力外，還會產生相反扭矩，而為了消除反矩力，要求把無人機前后與左右電機進行對稱設計，并保證轉速相同。結合已有經驗，四旋翼無人機整個的飛行環節可被分成垂直升降運動（見圖1）、前后俯仰運動（見圖2）、左右翻滾運動（見圖3）、水平偏航運動（見圖四）等4部分。

圖1 垂直升降運動示意圖

圖2 前后俯仰運動示意圖

圖3 左右翻滾運動示意圖

圖4 水平偏航運動示意圖

2 解讀無人機巡檢作業系統設計規劃

2.1 把控關鍵技術

輸電線路無人機巡檢作業系統是一個非常復雜的巡檢系統，涉及的內容較多，GPS自動化巡檢、飛行數據通信、巡檢圖像分析處理、無人機控制和巡檢地理坐標等內容均包含于其中。結合已有經驗，可將無人機巡檢系統分成地面監控平臺、飛行器、信息傳輸系統和飛行控制系統等4部分（見圖5）。其中，最關鍵的技術是無人機飛行姿態控制技術、無線通信技術和GPS導航技術[1]。

圖5 無人機巡檢系統構成圖

2.2 有效分類與選取

首先是巡檢內容分類。可將輸電線路巡檢內容劃分成兩部分：一部分為輸電線路的線路走廊檢測；一部分為輸電線路的桿塔部件檢測。第一部分所包含的內容有兩種：一種為線路障礙；一種為線路故障。第一種囊括了線路內存在物體懸掛（如鳥巢）、危險建筑或超高樹木等情況；第二種囊括了間隔棒斷開或導地線脫股等安全問題。因輸電線路有著范圍寬、跨度大等特性，因而對巡檢無人機的要求較高，除飛行速度快外，還要求續航和懸停時間長。

此外，輸電線路桿塔主要包含了防震錘、絕緣子、線夾和金具等檢測部件，因絕緣子長時間裸露在戶外，歷經風吹日曬，便容易出現破損、自爆、閃絡痕跡等問題。

其次選擇適宜機型。無人機自帶動力裝置，既可通過地面遙控來控制設備，又可根據智能化程序設定來控制飛行，加之具備固定翼展，因而可以被反復利用。科學技術不斷發展，極大地提升了無人機的作業能力、飛行距離和飛行高度，相應地在各工業領域中也獲得了更加廣泛的應用。當前應用最多的無人機類型有固定翼無人機和旋翼無人機。前者相對后者來講，具備維護方便、結構簡單且飛行速度快等優點，但缺點在于存在一定結構缺陷，難以實現空中懸停，飛行轉彎的弧度較大，對飛降落場的要求較高；后者雖結構相對復雜，但可通過智能程序設定或遙控裝置進行控制，且對起飛與降落的場地沒有過多要求，隨時可實施空中懸停操作，但因攜帶大量設備，因而后續維護費較高。

2.3 分析無人機的巡線路徑

應用無人機巡檢整個作業，其前提在于擬定一個合理的飛行路徑規范。在保障作業安全的基礎上，穩步提升巡檢工作質量與效率。具體說來，無人機巡檢作業飛行線路是連續的。因此在規劃路徑時，應離散化路徑，且在離散環節考慮無人機飛行的約束條件，即考慮安全性、可行性、高效性等內容[2]。

2.4 具體的巡檢流程

作為新的一種巡檢技術，無人機巡檢當前還處在試驗階段，因而其中存在著很多問題需要解決，且就整個的巡檢作業來講，還未形成統一規范。結合已有經驗，針對這部分內容應從作業前的準備、無人機起飛、巡檢工作、圖像視頻傳輸、圖像處理等內容進行。此外，針對無人機巡檢作業的安全距離控制應遵循表1。

3 基于GPS導航的無人機巡線指揮系統設計

3.1 構建指揮平臺系統框架

基于GPS導航視角確立指揮平臺系統框架。具體來講，需從起飛前的準備—通信控制—數據接收—數據顯示—數據存儲—數據處理等內容出發進行考慮。

3.2 設計無人機的起飛準備模塊

設計準備作業模塊應從如下內容進行：

首先，收集巡檢作業現場包含著的場景信息，如金具型號、輸電線路等級、導線型號、桿塔型號、輸電線路導線分裂數和絕緣子片數等。根據這些信息便可以確定巡檢環節拍攝到的信息準確度。

其次，掌握作業地點的天氣狀況和地理環境，如氣溫、橫風、區域坐標信息和風向等。

最后，再次確認作業環境，確保無人機作業安全，保證作業質量。

3.3 設計GPS導航模塊

首先，掌握坐標系統，進行投影變換。這是因為無人機巡檢工作中掌握的飛行坐標信息應及時向地面指揮系統反饋，使其能根據坐標實況明確作業內容。

其次，確立導航數據格式，待GPS接收機更新具備兩種數據輸出功能后，即NMEA0183和二進制格式，便需要依據巡檢實況選擇最適宜的數據輸出格式。一般而言，前一種格式涉及的數據幀由幀頭、內部數據和幀尾組成。不同數據幀定義決定了不同幀頭定義。

然后，提取導航數據（見圖6）。

最后，顯示導航數據。

圖6 導航數據提取示意圖

4 總結

綜上所述，科技水平迅猛發展，無人機應用的領域逐步擴大。為了更好地掌握無人機技術，本文基于GPS導航視角，對無人機巡線指揮系統設計流程進行了分析探討。

[1]鄧榮軍.基于GPS導航無人機巡線指揮系統設計[D].武漢：武漢科技大學，2015.

[2]聶志彪.小型無人機導航與制導關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.

Design of Unmanned Aerial Vehicle Patrol Line Command System Based on GPS Navigation

Wang Yong

Nanjing Central Aeronautical Science and Technology Development Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 210000

The paper analyzes the principle of flight of UAV, and expounds the system design without planning man-machine inspection operations. Combined with years of work experience and a lot of information, around GPS navigation based on the perspective of the UAV patrol command system design are discussed, in order to enhance the design level of man-machine patrol command system.

GPS navigation; unmanned aerial vehicle; patrol line command system

V249.3

A

1009-6434（2017）9-0088-03