無人機載紅外管道檢測的研究與設計

陳 露，王冠凌，郁書好，毛 赫

（1.安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000；2.皖西學院 電子與信息工程學院，安徽 六安 237000）

城市燃氣管道往往排布在城市人口密集的區域，如果泄露將會造成不可挽回的人員傷害和巨大的經濟損失，需要管道檢測機器人定期地對管道泄漏區域進行定位、檢測和評估.本文將無人機技術和紅外檢測技術相結合提出一種新型的無人機管道檢測機器人，能輕松有效地完成管道巡檢任務.可保障城市管道安全性，減少事故發生概率，延長管道網絡的服役期，從而可以帶來很大的經濟效益.

1 四旋翼飛行器硬件結構設計

四旋翼飛行器在結構上主要包括提供動力的螺旋槳部分、控制飛行器的主控板部分及搭載平臺三個部分.將小型電機和螺旋槳固定在搭載平臺的末端,呈十字型或X型.螺旋槳是由兩對正反槳組成.小型電機帶動螺旋槳的旋轉來為整個飛行器提供動力.飛行器主控板通過強力膠固定在機架的正中心,主控板的功能是對四軸飛行器姿態信息的采集處理及姿態控制,搭載平臺材質選用穩固密度小的碳纖機架，機架的良好材質以保證四旋翼飛行器的飛行.

圖1 四旋翼飛行器的硬件結構設計圖

四軸飛行器的螺旋槳由兩對正反槳組成,每個螺旋槳接一個8050空心杯電機,主控板通過分析接收到的姿態信息輸出占空比不同的PWM脈沖波.通過PWM脈沖波來控制空心杯電機的轉速及轉向，從而控制螺旋槳的轉速及轉向來讓四旋翼飛行器進行前進后退轉彎等.市面上的四旋翼飛行器的硬件結構可分為‘十’字型和‘X’字型.其結構圖如圖2示.

圖2 四旋翼飛行器的物理結構

1.1 飛行器主控電路

四旋翼飛行器的主控板相當于是飛行器的神經中樞，其功能是接收分析處理姿態信息傳感器采集的數據.人們從地面發送遙控信號，主控板接收該信號并對飛行器的飛行姿態信息進行計算，將四旋翼飛行器的信息融合處理,然后運用模糊PID控制算法計算出各電機的PWM脈沖占空比,根據PWM的波形來控制小型電機的開關和電流方向.最小系統電路如圖3所示.微處理器模塊采用ARM4內核的STM32F405ZGT6.這款芯片的時鐘頻率可達168MHz,具有多種通信接口，主要包括JTAG接口、I2C總線接口、AD接口、SPI接口以及數據采集的多路PWM輸出,便可滿足其他傳感器的搭載和運算.STM32F405ZGT6具有14個定時器,對于信號采集處理和PWM輸出均能滿足.

1.2 電源供電電路設計

本系統電源電路需要產生一路3.3V的恒壓源，電源模塊采用市面上常用的3.7V小型鋰電池作為電源.電源供電電路經MC34063芯片升壓到5V，再經過AMS1117芯片降壓輸出3.3V電壓.

1.3 電機驅動設計

四旋翼飛行器的驅動電路輸出占空比不同的脈沖波控制空心杯電機電流的開關和電流的流向.考慮到體積、質量、成本等問題，本次選用直徑為85mm、長度為20mm空心杯電機.每個電機的重量為3.9g，四個電機控制四個螺旋槳，空心杯電機的工作電壓在3.3V至4.2V之間，由電路板控制電壓的大小及方向.

1.4 無線通信模塊設計

無線通信模塊主要用于遙控控制信號的收發以及圖像采集中.通過該模塊可以將信息回傳到上位機上，并且在實際操作中上位機通過無線傳輸來控制四旋翼飛行器的飛行路線，就是用自定義的控制協議控制NRF24L01無線傳輸遙控指令來控制4個螺旋槳的轉速.

1.5 姿態檢測模塊

姿態檢測模塊選用了集成三軸加速度與角速度的MPU6050六軸傳感器芯片.該芯片功能強大，廣泛應用在四旋翼飛行器的信息采集中.四旋翼飛行器上就選用了MPU6050來獲取飛行狀態信息.采用MPU605傳感器芯片作為系統的慣性測量單元，測量出加速度和角速度的原始數據，四軸飛行器的復合控制策略采用變論域模糊控制.圖4就是加入了伸縮因子的PID控制器，通過判斷誤差的大小，改變模糊控制器中輸入和輸出論域.再將得到的輸出變量調整PID調節器的參數，精確的參數可以實現飛行器的精確控制.

圖4 變論域的模糊PID控制器結構

1.6 紅外熱成像模塊

紅外熱成像檢測技術運用在管道方面屬于管外探測法，效果如圖6所示.其檢測平臺搭載在四軸飛行器上.其原理是利用紅外熱成像儀接收待測物體表面向外輻射的紅外線，并通過相關的成像技術將其轉換為可見的熱場分布云圖，最后通過分析溫度場異常來確定管道缺陷信息.在實際測量時，總輻射能量：

ε是目標的發射率，τa是大氣的穿透率，W是目標接受的總輻射能量，等式右邊第一項是表面溫度為T0的目標的輻射能量，Tu是環境的反射輻射能量，Ta是大氣輻射能量.

輻射的能量經過熱像儀內部的光電轉換電路，最終表現為電壓的形式，熱像儀的響應電壓：

VS是響應電壓，K為一固定常數，εa是大氣輻射的發射率，Lbλ是光譜亮度，Rλ是探測器的光譜響應度.由于熱像儀接受的是總輻射能量，不能具體確定是哪部分的能量，因此，通常假定其接受的輻射為某一黑體發射的輻射.由普朗克輻射定律可得待檢測目標的實際溫度應是：

工 作 波 段 在 2～5μm，n=9.2554，8～13μm，n=3.9889.

圖5 熱成像儀結構圖

2 四旋翼飛行器軟件設計

四旋翼飛行器的軟件設計主要是在KEIL環境下來進行編程.軟件程序的主要流程先是微控制器控制傳感器模塊采集測量數據，然后將MPU6050采集到的數據姿態融合得到四旋翼飛行器的位置信息，將四旋翼飛行器的位置信息送入模糊PID控制程序中獲得控制信息來控制各個螺旋槳提升力的調節.

四旋翼飛行器主控板的主要功能是接收無線信號、數據信息采集及調節螺旋槳轉速,處理流程一般包括以下幾部分.首先初始化；包括無線通信模塊的初始化、傳感器模塊的初始化和電機驅動模塊的初始化等.然后通過MPU6050來獲取姿態信息以及對系統進行校準.主控制器對中斷時間的處理是采用定時器中斷的方式,每個中斷數字都會自動增加,根據不同的中斷響應處理不同的優先級任務.當進入中斷時系統會檢查無線模塊是否接收到了數據,系統自動進入中斷不需要外界的輸入.這樣可以保證實時控制飛行器的飛行狀態,兩個中斷就會采集傳感器模塊的實時數據，就能根據飛行器的姿態信息和遙控數據之間的差異,采用模糊PID控制算法計算各電機的PWM值,就改變了電機的轉速與轉向，從而可以調節飛行其器的路線.

圖6 四旋翼飛行器軟件程序流程圖

3 實驗與測試分析

四旋翼飛行器完成之后我們進行了試飛以及姿態信息采集.前期電路板的調試很讓人頭疼.好在從電腦上搜索到了很多開源信息，經過幾十次的嘗試和失敗，終于實現了四旋翼飛行器的正常飛行.通過MPU6050信息采集芯片來采集飛行器的角速度和加速度的原始數據，之后再通過卡爾曼濾波法進行濾波處理，將濾波處理后的數據運用龍哥—庫塔法更新四元數進行解算，最后輸出姿態角和其他測量信息.我們引入了空間三維坐標系巧妙地運用空間矢量變換的方法來描述四旋翼飛行器的仰、偏航和橫滾的姿態信息.在實際操作中遙控四旋翼飛行器飛行，實時改變了飛行器的姿態和位置.飛行器的姿態信息解算后通過NRF24L01無線傳輸模塊傳回到上位機.

圖7 MATLAB仿真結果

4 結束語

四旋翼飛行器的主控板采用STM32F407芯片控制驅動模塊、無線通信模塊以及信號采集模塊.通過PID控制算法保證了四旋翼飛行器的正常飛行.紅外檢測電路搭載在四旋翼無人機上來對管道損耗進行檢測.利用紅外熱成像儀檢測待測物體表面的紅外線，并通過相關的成像技術將其轉換為可見的熱場分布云圖，最后通過分析溫度場來確定管道破損信息.當然實際中出現了幾個必須解決的問題問題一：無人機是鋰電池供電，所以續航時間很短.問題二：市面上的紅外檢測儀質量大、體積大，小型無人機很難載動.問題三：紅外熱成像的實時傳輸.所以要想實現無人機檢測管道必須要考慮這些問題.