城市地下綜合管廊的巡檢無人機設計

徐梓祺 邢華寧 盧鎮成 戴創昆 甘睿科 高 遠（指導老師）

（廣西科技大學，廣西 柳州545000）

1 研究主要內容

為提高地下綜合管廊巡檢的效率和機動性，以六旋翼無人機為搭載平臺，STM32 微處理器為主控制器。實現高效全面的自動化無人機管道巡檢。研究內容如下：（1）結合不同的檢測對象，可搭載的傳感器采集電路的設計；（2）無人機飛行障礙物檢測電路和自動避障控制電路的設計；（3）制定無人機自動巡檢的循跡方案；（4）制定無人機與地面用戶終端間無線通信方案，實現用戶對無人機巡檢情況的遠程監控；

2 城市地下綜合管廊的巡檢無人機設計

系統以地下綜合管廊作為巡檢研究對象，提出能對管道內圖像信息、多種氣體數據和電線破損信息進行檢測的城市地下綜合管廊的巡檢無人機設計。以WiFi 為傳輸媒介搭建WiFi 中繼站進行檢測數據信號的遠距離無線傳輸，結合運用云端實現用戶終端對傳感檢測數據進行查看和對無人機的飛行模式進行遠程操控。

系統以實現綜合管廊內情況的快速獲取、遠程傳輸與智能管理為目標，采用分布式客戶機/服務器形式，由用戶終端以及傳感器通過WiFi 網絡為傳輸媒介組成。主要完成采集管廊內管線環境數據信息、操控攝像頭和電子設備，圖像顯示和無人機設備的遠程控制等功能。

2.1 巡檢無人機設計系統的總體框架。圖1 所示為城市地下綜合管廊的巡檢無人機設計系統框架圖。其中：（1）視頻采集裝置主要由紫外線成像儀、高清攝像儀、紅外成像儀組成。氣體檢測裝置主要由甲烷傳感器、CO氣體傳感器、硫化氫氣體傳感器、溫濕度傳感器組成；（2）用戶終端能夠直接在現場與主控制器通信，讀取和顯示出無人機上各裝置所采集的氣體參數以及視頻圖像信息，或授權給云端用戶終端從云端讀取和顯示出無人機上各裝置所采集的氣體參數以及視頻圖像信息并進行遠程操控；（3）無人機通過將城市地下管廊的路徑數據輸入到主控制器并配以超聲波傳感器避障的循跡方式，來實現無人機的自主巡檢工作。

圖1 城市地下綜合管廊的巡檢無人機設計系統框架圖

圖2 巡檢無人機所搭載的系統結構示意圖

2.2 搭載多傳感器檢測采集電路的設計。（1）管廊內環境圖像數據的采集電路設計。考慮管廊內光線不足情況，采用型號為HP-DRCO427 的高清攝像機使工作人員遠程即可查看管廊內情況；（2）電纜漏電現象的檢測電路設計。針對電纜破損、受潮、管理不當等原因所導致的肉眼無法辨別的電纜漏電問題，采用型號為XC-EU50CE 的紫外線成像儀可以查看電纜導線在受潮或積污情況下的電暈放電特性，從而判斷出電纜漏電點；（3）電纜過熱現象的檢測電路設計。針對電纜氧化腐蝕，導線接頭松動等原因導致的電纜過熱問題，采用FILR 公司的A300 紅外攝像機，通過查看熱像圖可以得到電纜導線的溫度，找出電纜故障時的熱故障點；（4）空氣成分數據的檢測電路設計。針對空氣中的溫度、濕度，以及一氧化碳、甲烷和硫化氫氣體的含量檢測，選用型號為DHT11 的溫濕度檢測器，CO 氣體傳感器型號為MQ-7，H2S 氣體傳感器型號為MQ-135，甲烷氣體傳感器型號為MQ-2。

2.3 設計無人機飛行障礙物檢測電路和自動避障控制電路。相比較于地面飛行，地下綜合管廊的空間較小，所以當無人機飛行時對管廊內的障礙物進行檢測和自動避障控制，必不可少。

（1）無人機飛行情況的傳感采集電路設計。針對城市地下綜合管廊如一管廊的道路為東西向主干路, 規劃道路紅線寬60m,兩側綠線30m 控制。路下共規劃給水、雨水、污水、電力、通訊、熱力、燃氣、中水等8 種常用管線。規劃綜合管廊長度約2.8km，管廊凈高5m。采用型號為LIS3DHTR 的速度檢測器，姿態采集器采用ADI公司生產的集成慣性測量單元ADIS16405，位置定位器選用u-bloxAG 公司的ANTARIS4GPS；接收機主控制器的型號為STM32F103C8T6；存儲器為16M 容量的Flash （華邦公司W25Q128）和4G容量的SD卡組成；無人機型號為S550。（2）障礙物檢測電路的設計。針對無人機的自動避障功能，采用型號為HY-SRF05 的超聲波測距傳感器進行設計障礙物檢測電路。（3）制定避障時的飛行控制策略。項目中六旋翼無人機飛控采用PID（比例- 積分- 微分）雙閉環控制策略，無人機飛行障礙物檢測和自動避障控制通過采集超聲波數據（超聲波模塊發出40kHz的脈沖，當檢測到回波信號后，對其進行溫度補償），并在分析該數據的基礎上，結合一階低通濾波、限幅濾波和中位值濾波對其進行處理，根據處理后的數據通過控制飛行器Y 軸和Z 軸來實現避障，且前、后、左、右4 個超聲波模塊對飛行器的控制是線性疊加的，相互之間不會產生干擾。（4）飛行姿態傳感器初步選型及其工作原理。選擇ADIS16405 姿態傳感器，它與主控微控制單元的通信協議采用集成電路總線方式。系統運行時主控單元需要對傳感器進行數據的讀寫，即對姿態傳感器的寄存器用IIC 進行數據讀寫，程序中先將ADIS16405 的數字運動處理器相關參數配置好，通過ADIS16405采集運動信息，通過傳感器自帶的DMP 直接將原始數據解算出四元數和姿態，而不需要在程序中進行額外的數學運算。得到四元數等數據后再經過數學運算便可求得歐拉角，計算出目標歐拉角與實際歐拉角的差，輸入比例積分導數控制器即可。用ADIS16405 的XCL，XDA端子與數字羅盤的SCL，SDA端子相連，這樣一來就可以從此IIC接口讀出一個9 軸的信息，包括三軸的MEMS 陀螺儀姿態信息即3 個軸的角速度；三軸的加速度；以及三軸的磁感應強度。這三者之間相互矯正可以為飛行控制系統提供較為精確的姿態以及運動方向信息。

2.4 研究制定無人機自動巡檢的循跡方案。結合城市地下管道聲波較為穩定的特點，項目采用超聲波傳感器循跡方案。利用無人機軟件系統中的A/D采集驅動程序，將規劃路線寫入無人機路線規劃系統，結合超聲波模塊。實現無人機自主飛行。設備驅動軟件中的A/D采集驅動程序是進行路線規劃的重要部分。A/D 采集驅動程序能夠將空速計發出的電壓信號轉換為所需的空速信息。A/D采集芯片采集到空速計發出的電壓信號，讀取時需模SPI 通信設備。A/D采集驅動程序含有硬件初始化、選擇轉換通道等部分。當流程進入硬件初始化部分后，設置主控制器的串口，以及SPI 初始值和控制寄存器參數。寫入無人機路線規劃控制器自校準設備和配置中的內部控制寄存器，將選擇通道的A/D轉換功能啟動。轉換工作完成后，調用讀函數設備讀出無人機航線規劃控制結果。

2.5 制定用戶終端間無線通信方案。設計采用多WIFI 中繼通信技術在巡檢無人機與云端的通信應用。其中，由于涉及多傳感器和控制設備間的數據通訊問題，各傳感器采集的數據通過無線通信模塊與通信終端建立以mqtt 通訊協議為基礎建立連接之后，可以將傳感器采集的視頻圖像和氣體數據參數信息傳送到通信終端；同時，通信終端向無人機做響應反饋，并且下發指令，實現數據的傳輸。系統設計出內置有mqtt 服務端和發布端的通信終端，主控制器的通信裝置內置有mqtt 客戶端。客戶端與發布者之間通過數據幀里的主題編號來獲取自己想要的數據建立請求/應答機制，即可完成數據的合理通信。圖3 為多WiFi 中繼通信方式示意圖。

圖3 多WiFi中繼通信方式原理示意圖

3 特色與創新點

3.1 利用六旋翼無人機作為管廊檢測傳感器搭載平臺，相比傳統人工巡檢和其它類巡檢機器人，機動性強靈活性高。配合多種傳感器和攝像頭分別采集城市地下綜合管廊環境中的氣體信息數據和圖像數據信息傳輸到云端，實現對管廊內的環境信息的有效全面采集；

3.2 為實現巡檢無人機與用戶終端的無線通信，采用多WiFi中繼方案對數據進行方便快速傳輸，從而保證信息的可靠性傳輸；

3.3 可實現用戶對遠程操作和自主巡檢的功能需求。用戶端可將地下綜合管廊的管廊線路數據信息導入無人機并配以超聲波避障來實現無人機的自主規劃巡檢路線或由使用者進行遠程操控飛行。

4 結論

本設計為解決巡檢方式中的不足，結合管廊內所布置的綜合管線類型和管道內的環境特點，將無人機技術、傳感器檢測技術、遠程通訊技術等相結合，研制了一種用于地下管廊綜合管線的巡檢無人機。