基于STM32的多用途無人機巡檢拓展模塊

文/楊景巖

1 概述

近年來，無人機因其成本低，安全性高，作業靈活性強，使用培訓簡單等優勢在諸多領域得到了廣泛的應用。現有的民用小型和微型無人機主要分為直升機，多旋翼無人機與固定翼無人機三種，這三種結構的無人機在使用成本、航程、最大飛行時間與抗風能力等指標上各有優劣。無人機的飛行控制方案上，現已有了多種成熟的飛行控制器，但它們的可拓展性往往不強，且有時，尤其是需要使用圖像處理模塊時，其算力往往不能兼顧圖像處理與飛行控制。本文設計了一種基于STM32F407的兼容多種無人機結構，并可充分利用現有的各種飛行控制器姿態控制功能并可用于多種不同任務的多用途無人機巡檢模塊。

2 無人機巡檢相對傳統巡檢方案的優勢

如前文所述，無人機巡檢已經在鐵道巡檢，輸電線巡檢，特種設備安全巡查與長途管道巡檢等諸多領域得到了廣泛的應用，這些應用場合存在許多共同點，如地面環境復雜或需要在高空監視，巡檢危險性高，巡檢距離長等。本節中，我們以發展相對成熟的配電線路巡線為例，系統地分析無人機巡檢相對傳統巡檢方案的優勢。

隨著我國國民經濟的迅猛發展，配電線路公里數今年呈現迅猛增長的態勢，且這些配電線路的設備長時間暴露在環境條件復雜的野外，故容易發生斷股，銹蝕，過熱等故障。由于鐵塔結構復雜，高空作業危險且巡線工作量大，人工巡檢會消耗大量的人力和資源。目前，針對人工巡檢的問題已經有了多種解決方案，主要為直升機巡檢，動力傘巡檢，機器人巡檢，無人機巡檢四種方案。

直升機巡檢與動力傘巡檢均為工作人員搭乘飛行器對輸電線路進行巡視的方案。這兩種方案均可以實現對輸電線纜的高效、立體巡檢。但這兩種巡線方案的工作人員培訓成本與飛行成本均較高，且運作時均存在人身安全事故隱患。

機器人巡線則是將機器人懸掛在輸電線路架空避雷線上，機器人可以沿與導線走廊幾乎重合的避雷線進行線路的巡視，能夠拍攝清晰的設備運行狀態圖，且成本低廉，且作業時無人身安全事故隱患。但其拍攝角度受到限制，無法進行立體巡查。

無人機巡線則是由程序控制或人工控制的無人機搭載可見光、紅外熱成像和紫外線成像等設備，對輸電線路進行高精度檢測。這種作業方案可以實現近距離、多角度的巡檢，飛行路徑相對自由，且無人身安全事故隱患。無人機飛行成本也只相當于直升機巡檢與動力傘巡檢的五分之一至六分之一左右。相對前面幾種方案存在明顯的成本與性能優勢。

3 系統方案設計

如圖1所示，本文中的多功能巡檢拓展模塊主要由圖像識別模塊、定高定位與導航模塊、姿態檢測模塊和作為主控制板的STM32F407單片機構成，值得注意的是雖然本系統中也帶有三軸陀螺儀，但系統中的STM32F407并非飛行控制板，而是將高度、偏航、俯仰、橫滾四個維度的控制信號以PWM波的方式輸出給飛控板，這里的飛控板可以是四軸飛行器或固定翼飛行器的飛行控制板。巡檢拓展模塊適配的飛行器種類可通過更改系統中的設置實現。

3.1 主控芯片

本系統采用STM32F407作為主控芯片，該芯片具有體積小，運算速度快，能耗低，調試模式多樣等特點。且具有A/D、D/A、SPI等若干功能，能夠很好地滿足系統的任務要求。

3.2 圖像識別模塊

本系統采用OV7725攝像頭模塊進行圖像的采集和識別，通過該攝像頭模塊，系統可以自主識別巡檢中遇到的可疑之處，并進行自動報警和自動拍照。同時，攝像頭的圖像還可以經圖傳模塊傳輸給地面端，以供人工監控。

3.3 高度/位置傳感器

圖1：巡檢模塊的硬件結構

本系統可以根據不同任務需求選擇多種高度、位置傳感器。高度控制上，如飛行高度較低（0-2m），系統可選擇TOF測距模塊進行飛行器的定高，這種傳感器依靠激光往返的時間來測定飛行器的高度，在較低高度上具有測量精度高的優勢；如飛行高度較高，系統則選擇氣壓計模塊進行定高，盡管誤差相對較大，但這種傳感器適用于較高的高度，在大多數無人機的作業區間（0-120m）都極為有效。

無人機的定位與導航上，系統可根據任務需要，在GPS模塊，光流模塊，OV7725攝像頭模塊間進行選用，GPS模塊適用于GPS信號較好、飛行高度較高、地面無明顯特征的情況，如山區的架空高壓線纜的巡線。而如果飛行高度較低（0-2m），只是由于安全問題故采用無人機巡檢且地面紋理明顯，無人機可采用光流模塊進行定位，這種定位方式可以排除GPS信號對定位效果的影響。另外，如果地面有明顯標志物或引導物，無人機也可使用下視攝像頭，通過識別地面的引導標記進行巡航，這種導航方式可靠性最高，且無對高度與GPS信號的要求，但其依賴于地面上的人工標記（如引導線）或環境中存在的明顯標記（如管道巡檢任務中在管道上方沿管道巡檢或者河流/河岸巡檢任務的情況）。

3.4 姿態檢測模塊

本系統還搭載了MPU6050六軸運動處理組件，用于檢測飛行器的姿態并進行偏航角的控制，防止飛控傳感器存在誤差導致飛行中偏航角出現偏差的情況（該情況起飛時經常發生）。如任務需要搭載云臺，本系統還可以根據MPU6050的數據進行云臺的控制。

4 多用途巡檢拓展模塊的優勢

本文中介紹的多用途巡檢拓展模塊相比直接設計或改動現有的無人機飛控以滿足任務需要的方案具有如下三個優勢：對不同機型、不同任務的良好適應性，更強的可靠性，更好的圖像處理性能。

針對不同的巡檢任務，固定翼無人機與多旋翼無人機存在著各自的優勢與劣勢。固定翼無人機續航能力強，巡航速度快，但需要單獨的輔助起降的設備，且無懸停能力，不適合對單個目標進行精細的多角度觀察。多旋翼無人機起降條件簡單，具有懸停能力，但巡航速度低，最大飛行時間普遍較短。而本文中的巡檢拓展模塊可以適應不同種類、型號的飛行器，且針對不同的任務更改程序的難度與程序復雜度均大大降低。

此外，由于拓展模塊擁有一套單獨的姿態檢測傳感器，故如果飛行控制器發生故障導致飛行器失控，拓展模塊檢測到姿態異常后可發出報警并根據實際情況強制飛行器懸停、降落或關閉發動機，降低了出現事故的可能性。

最后，由于無人機巡檢經常需要用到機器視覺技術，如前文提到過的使用下視攝像頭進行導航與對異常狀況進行自動識別并拍照、報警等。在完成此類任務時，單獨的巡檢拓展模塊有利于幫助飛控板分擔運算負擔，避免同一塊處理器不但需要控制飛行器姿態，又要處理攝像頭的數據，造成識別速度過慢，圖像識別幀率過低等問題。

5 實際使用案例

本節中，本文將介紹一個實際的無人機巡線應用案例，并詳細介紹本文中的巡檢拓展模塊是如何完成本節中的任務的。

在如圖2所示的場地中，巡線無人機需要在指定地點起飛，以桿塔A-線纜-繞桿塔B-線纜-返回桿塔A-降落的順序，完成輸電線路與桿塔的巡檢，在巡檢過程中，無人機需自動檢測桿塔上與輸電線上的異物，并發出報警。

為完成上述任務，我們選擇了搭載德研電科MSP432E401作為主控芯片的F330四軸無人機來搭載巡檢拓展模塊，巡檢拓展模塊通過五路PWM輸出分別控制無人機的俯仰、橫滾、偏航、飛行高度以及緊急停機。

由于任務中地面上也無明顯表示物，且飛行高度較低（1.2m左右）故本次任務中使用光流定位的方法來保證無人機不會偏離航線，而為了避免起飛時的偏移，無人機使用了一個下視攝像頭來使起過程中時無人機能穩定在起飛點上方，同時，該攝像頭由一個兩軸云臺控制，在起飛后始終面向桿塔與線纜，以識別異物并在桿塔處校準無人機的位置。高度控制上，由于飛行高度需求不高，故無人機使用了TOF模塊來進行精確的定高。整個飛行器的結構圖如圖3所示。為簡化程序設計，攝像頭模塊使用了OPENMV4圖像識別模塊來進行圖像識別的工作，而根據位置偏移量決定無人機飛行控制板俯仰、橫滾、偏航、油門四個通道的輸入值PID運算則在STM32F407中執行。同時，系統中配備了MPU’6050六軸運動處理組件以進行起飛時以及繞桿飛行時角度偏差的修正。

圖2：實驗場地

經過測試與對STM32F407的PID參數的整定，飛行器最終可以穩定、準確地飛行，完成線纜的巡檢與異常狀況的報警，并對問題區域拍攝清晰的照片，且幾乎不受外界因素（如作業區域外的環境、光照、風力等）造成的干擾。

綜上所述，本設計達到要求，無人機可以很好地完成定點起飛-巡線-繞桿飛行-巡線-降落的任務，且能在檢測到異常狀況時懸停拍照并報警，然后繼續飛行任務。