無人機電力巡線裝置控制系統設計

寧夏理工學院 賈小龍 張 巖 黃博勝 陳 煉

輸電線路作為電力輸電系統中最為重要部分，維持電力輸電線路的穩定就成為了電力系統穩定運行的首要任務。每年國家電網在輸電線路巡檢上面都花費了大量的人力物力。為了解決這個問題，本文采用無人機巡線來代替人工完成電力線路的巡檢。本文設計了四旋翼無人機的飛行控制器，為航行姿態測量和飛行控制的研究提供了基礎。讓無人機根據所采集到的線路進行巡線飛行，實現無人機的巡線功能。

輸電線路是電力系統中重要的一部分，主要是由電力線路桿塔、高壓輸電線路、絕緣子等構成，我國的架空電力線路覆蓋區域廣，穿越地區的地形復雜，且長期暴露在這些復雜的環境中，故障時有發生，這就需要電力工人及時的進行定期檢修和維護。

現階段運用最為廣泛的就是人工定期巡檢。但是人工巡檢存在高空作業難度太大、安全隱患較多、造成極大的資源的浪費，因此傳統的人工巡檢效率低下。

伴隨著科技的發展，無人機的開發研究為電力線路巡檢提供了新的發展方向，采用無人機搭載巡檢設備對電力線路進行巡檢在各個方面都有著傳統的人工巡檢無法與之媲美的優勢。采用無人機巡檢的方式可以降低巡檢難度，很大程度的提高巡檢的效率，可以降低人力成本。所以，對于利用無人機對電力線路進行巡檢有著極其重要的意義。

1 國內外發展現狀

我國對于無人機的研究和使用起步相對較晚，尤其是無人機的巡線技術是近幾年才剛剛開始新起的一個全新領域。我國的國家電網實驗室曾做過一些關于這方面的研究，也曾獲得過一些進展。試驗研究人員利用無人機搭載高清攝像頭和云臺以及熱成像系統對電力線路進行巡檢，可以很清楚的知道缺陷所在的位置。湖南電力科學研究院曾利用多旋翼無人機在電力線路被雨雪嚴重覆蓋的情況下對電力線路進行巡線實驗，并對技術缺陷進行了改進。

西班牙的馬德里理工大學就計算機視覺技術應用于無人機的巡線導航上面，而且研究人員還基于GPS定位系統研發出了自動返航系統。日本的關西電力公司聯合千葉大學共同研發出無人直升機關于電力線路的巡線系統，這套系統的獨特特點就是它的故障自檢測技術和三維圖像監測技術，無人直升機上面搭載有線路自檢測系統，能夠檢測出電力線路由于雷擊、焊接裂縫、導線斷裂等引起的線路故障。

2 硬件設計

本文設計的無人機巡線控制系統主要有電源模塊、姿態傳感器模塊，循跡模塊。無人機的飛控MCU是5V供電，而無人機的電源是12V，所以采用一個降壓穩壓模塊，將無人機的電源降壓穩壓在5V然后利用RT9193穩壓為3.3V電壓接入飛控。

在設計中選用了加速度計和角加速度傳感器，兩種傳感器進行無人機飛行姿態的測量。加速度計所采集到的數據可以和角加速度計采集到的數據進行互補。

對于加速度計和角加速度計，采用的是6軸運動處理組件MPU6050，其所具有的優勢如下：MPU6050是一個組合型傳感器，能節省大量的空間，不止是可以讓飛控盡可能的小，還以減輕無人機的重量，而且還有擴展性，MPU6050與單片機的通訊是通過IC2引腳實現的，由于STM32F1的I2C引腳具有復用功能，所以氣壓計SPL06與單片機的通訊也是通過同一個I2C引腳實現的。

電路設計采用的是外設接口方式，除飛控的MCU（STM32F1）外，還有MPU6050（加速度計、陀螺儀）和SPL06（氣壓計）設計在飛控板上外，其他的比如超聲波探頭、OPENMV攝像頭、光流模塊、GPS等都是采用的外接的方式。無人機平臺如圖1所示。

OPENMV是基于MicroPython的嵌入式機器視覺模塊，它的優勢就在于開發環境友好，成本比較低，而且OPENMV出了用作圖像處理之外還可以調用他的硬件資源。OPENMV使用的是STM32F7處理器，它的所有I/O輸出引腳的電壓都是3.3V同時兼容5V電壓。

圖1 無人機平臺

3 無人機飛行控制原理

四軸無人機是一種欠驅動模型，可以分為十字形和X形，如圖2所示。本文設計是以X形四旋翼無人機作為基礎，因為雖然十字形的無人機在飛行姿態的控制上來說要簡單的多，但是X形的無人機模型在飛行姿態的控制上來說它的聯動性要比十字形的無人機要好。

圖2 無人機的兩種控制模型

如圖3(a)所示，無人機的上升運動和下降運動是由四個電機的轉速共同控制的，若四個電機的轉速同時增加時，電機的轉動帶動螺旋槳的旋轉，而螺旋槳的轉動會產生向上的升力，如果這一股升力大于無人機的重力，就會拽著無人機先上飛行，反之若無人機的升力小于無人機的重力，由于這個重力會使得無人機有一個向下的加速度，就會做下降運動。而當M1、M2、M3、M4轉動所產生的升力和無人機的重力相等時，無人機就會懸停在空中。

圖3 升降運動、俯仰運動示意圖

俯仰運動，如圖3(b)所示。當M2、M4轉速相同，M1、M3轉速同比增加時，無人機前后兩端的合力不再相等，無人機會產生一個俯仰角，槳葉產生的力也不在豎直朝下，而是會有一個向前的合力，由于這個俯仰角會使無人機產生會多出一個向前的力的分量，正是因為這個力的分量會推著無人機前進，機身就會做出俯仰運動。

4 巡線功能的實現

設計串級PID控制器，對無人機所在水平和豎直高度上的位置、速度以及加速度進行控制，控制器的結構如圖4所示。

圖4 無人機的串級PID控制器

相比較于普通的位置控制器，串級PID控制器同時對無人機的位置，速度，加速度進行閉環控制。根據加速度計數據得到的位置信息作為位置、速度、加速度PID控制的反饋值。以此構成三級閉環控制，能在很大程度上增強無人機的抗干擾能力。

四旋翼無人機在使用之前都要先解鎖，起飛流程是在無人機解鎖后，飛控根據控制信號通過控制調速器控制無人機的高度和速度。進入檢測區域后可選擇進入自動巡檢模式。

4.1 巡線飛行

無人機在達到需要檢測期望高度之后，會懸停在期望高度，然后進入自動巡線檢測模式，無人機會自動根據電力線路方向進行自動巡檢，若發現電力線路故障會進入懸停模式，而我們就會知道故障發生的位置，此時就只需要派專門的人針對性檢修，能很大程度上節省人力和時間。具體的流程是當無人機進入航線飛行模式之后，飛控會讀取當前的位置信息，然后通過氣壓計來確定當前的高度信息，也會通過GPS來獲取當前的位置信息，然后分別通過卡爾曼濾波融合，通過融合后的信號來控制PID以此來改變無人機的飛行高度，和控制無人機水平位置的改變，最終實現無人機巡檢。

4.2 無人機的自動降落

無人機在完成巡線動作后，需要返航，在本次設計中設計了一鍵返航，在遙控器上的第七通道，設計了一鍵返航的通道操作，當遙控器撥到自動降落的擋位是，無人機會獲取無人機所處的位置，氣壓計會獲取所處高度的氣壓狀態與初始的氣壓狀態進行比較，若與初始狀態不一樣時飛控就會進行PID整定以此來控制無人機的高度狀態，然后通過GPS獲得位置信息，若沒有達到期望的水平位置，飛控就會進行PID整定，控制無人機的水平位置，最后在進行PID高度整定，最終實現降落操作。

總結：本文中基于四旋翼無人機的電力線路巡檢設計，主要是針對于我國主要是要靠人力巡檢的現狀，目的是節省人工電力線路巡檢的時間和成本，同時也為了提高巡檢工人的安全，通過無人機和圖像處理替代人工巡檢。本文完成了無人機巡線裝置模塊的選擇、控制電路的設計，經過飛行測試，達到了無人機的定高起飛，光流懸停，以及巡線飛行。

本文對無人機自主巡線做了研究，并通過自己設計的軟硬件實現了上述的預定功能，但是在想要運用在實際的電力線路巡檢上面，還存在著許多可以優化的地方：比如抗電磁干擾設計和絕緣設計。