光伏電站智能運維無人機技術研究

李瑫，黃浩，陳李松，孫龍，張超

（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111）

0 引言

我國已成為全球光伏發電裝機容量最大的國家。截止2019年底，我國光伏電站累計裝機規模已達到204.3GW。面對如此龐大的市場規模，如何通過運營維護來提高光伏電站的發電效率、降低運維成本，保障光伏電站收益的最大化，越來越受到電站業主和投資者的關注。由于光伏電站選址多在沙地、山坡等偏僻區域且規模較大，常規的人工巡檢方式已無法滿足電站運維智能高效的要求。

智能無人機技術的發展和應用為光伏電站巡檢指明了新的方向。通過搭載紅外成像相機和可見光成像相機，智能運維無人機可提供組件紅外檢測、表面灰塵檢測、隱裂檢測等多種檢測，還能實現實時監測、分析、智能診斷等功能，對光伏電站智能運維大有益處。因此，研究光伏電站的智能運維無人機系統及技術，具有重要的現實意義。

根據光伏電站運維需求載荷小但要求機動靈活的特點，小型的多旋翼是比較合適的選擇。本文選取結構簡單、體積更小、機動性更強的四旋翼，研究適應于光伏電站運維的智能無人機設計、控制及運維技術，并進行試驗驗證。

1 四旋翼的設計

四旋翼無人機可分為三個部分：動力系統，支撐結構，控制系統。另外，無人機用于執行任務還需要任務設備。

1.1 動力系統設計

動力系統設計的目標是保證旋翼提供足夠升力的同時保持足夠的續航時間。螺旋槳和電機是提供系統動力的部件，合適的螺旋槳與電機的匹配對提高多旋翼性能和效率有著直接的影響。螺旋槳的參數有尺寸、螺距、槳葉數等，對于多旋翼無人機，二葉槳的效率是最高的；多旋翼使用的電機多為無刷直流電機，其參數有尺寸、KV值等，相對來說，KV值小的電機力矩大、轉速低、效率高。兩者參數的設計選取應使總力效（螺旋槳力效×電機效率）達到最高。

動力系統參數的設計可以通過理論計算獲得，但過程繁瑣，計算過程中的一些參數也較難確定，因此本文采取根據經驗設計參數再進行校核的方法。根據設計指標載荷能力≥500g、續航≥20Min，預估滿載重量2000g。根據經驗，為保證電機穩定運行，多旋翼滿載重量不超過電機及槳最大拉力的2/5，則單軸（電機和槳）最大拉力應≥1250g；同時，在油門在50%左右時，多旋翼應能實現懸停，即單軸拉力應在500g左右。通過查找電機性能參數表，可以選取合適的電機及槳葉，并確定電壓等級。

1.2 控制系統設計

飛行控制器是多旋翼的核心器件，主要包括導航、控制和決策三大功能。目前主流的開源飛控有APM和Pixhawk，其中Pixhawk是一款高級自動駕駛儀系統，其前身是APM，采用了目前新標準的STM32F427（帶FPU）及STM32F103雙處理器且搭載了NuttX的實時操作系統，在模型自動控制方面有著出色的性能、靈活性和可靠性。且可以選用APM：Copter或者PX4原生固件來實現飛行控制。目前APM是開源飛控的標桿，其固件成熟、穩定、功能豐富且可定制，用戶眾多。因此本文采用Pixhawk飛控，搭載APM：Copeter固件，并選取Mission Planner軟件作為地面站。

經過上述設計，本文所研究的多旋翼無人機配置如表1。

表1 多旋翼無人機配置

2 位姿閉環控制研究

四旋翼通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。其有6個自由度，卻只有4個控制輸入，是不穩定、時變、非線性、高階、強耦合、欠驅動的多輸入多輸出系統[1]，因此其位置姿態控制是四旋翼無人機的重點研究課題。本文建立所設計四旋翼的數學模型，并對其位姿閉環控制器進行設計。

2.1 四旋翼動力學建模

2.1.1 坐標變換

飛行器的運動可以完全分解為相對地面坐標系的平移運動和相對于機體坐標系的姿態運動兩部分。在不同方向上的位移以及飛行速度的衡量是相對地坐標系而言，飛行器的俯仰角、滾動角和偏航角的定義則是相對機體坐標系而言，為正確表征飛行器的運動狀態，需要建立機體坐標系到地坐標系的轉換關系，用矩陣表示如下[2]：

式中：c表示cos函數，s表示sin函數，θ、ψ、δ分別表示飛行器的偏航角、俯仰角和橫滾角。

2.1.2 平移運動模型

在地面坐標系中，根據牛頓運動定律，并考慮空氣阻力，有[3]：

將其轉換至地面坐標系中，并代入（式2），得[4]：

上式即為平移運動的狀態方程。

2.1.3 姿態運動模型

根據牛頓-歐拉方程，并考慮機體及旋翼的螺旋效應，有：

聯合式（5）和（6），可得四旋翼的姿態運動方程：

綜上所述，四旋翼的動力學數學模型如下：

動力學模型的相關參數值如表2。

表2 四旋翼動力模型參數

2.2 閉環控制器設計

本文采用串級PID控制算法對飛行器的位置和姿態進行雙閉環控制，其結構如圖所示。圖中，內回路為姿態控制回路，C1為內回路控制器；外回路為位置控制回路，C2為外回路控制器。內回路是外回路位置控制的基礎，通過控制飛行器的3個歐拉角，實現對飛行器的姿態控制，進而實現對飛行器位置控制[6]。

圖1 四旋翼閉環控制器結構圖

外環PID控制器以當前角度為輸入量，遙控輸入量和初始水平位置角度的和為期望值，偏差是期望值與輸入量之差。外環PID的控制目標是使偏差為0，即使四旋翼無人機由當前飛行狀態糾正到目標飛行狀態。其積分的計算是偏差的累積，為防止持續積分使得積分量太大造成系統超調，必須進行積分限幅，通常設定積分限幅量為遙控最大角度量的一半。其微分計算是將當前偏差與上一次偏差計算得到的差值來與微分時間相除，微分值的大小表示了偏差變化的快慢關系。

內環PID控制器以外環控制角度輸出量為內環角速度PID控制的期望值，其輸入量是從陀螺儀采集到的角速度值，偏差為期望值與輸入量的差值，輸出量為3軸的角速率。與外環一致，其積分計算對偏差進行累加，并且進行積分限幅；微分計算是將當前角速度偏差與上一次角速度偏差計算得到的差值來與微分時間相除。通過計算可得到內環角速度PID控制的輸出量，再結合油門解算四個電機的轉速可得電動機轉動時的PWM脈沖寬度控制量。

本文在仿真模型的基礎上進行了PID整定。仿真得出相關參數的取值區間，取中值進行飛行試驗，根據實際飛行效果對參數進行微調，最終得到較為理想的PID控制參數見表3。

表3 四旋翼無人機控制PID參數

3 智能運維技術研究

3.1 自動作業路徑規劃

對于選定的巡檢區域，運維系統應能根據設定參數自動規劃出無人機巡檢飛行路線，指揮無人機按規劃自動起降和飛行，實現“一鍵巡檢”的簡易操作功能。這可借助于Mission Planner地面站軟件的“飛行計劃”功能來實現：繪制多邊形，將作業區域用多邊形框選出來，通過“自動航點/區域”創建測繪任務，設置任務高度、路徑間隔、航點間隔、起始為Home點以及每個航點的動作等，即可自動規劃飛行路徑并生成飛行任務。將任務上傳至飛控，在無人機起飛時設置為自動操控模式，即可自動開始巡檢作業，完成后返回降落。若區域內有障礙物，也可通過多邊形將障礙物框出，規劃路徑將避開障礙物區域。

3.2 全景圖像生成

全景圖像生成是應用3D重建技術對航拍的圖像進行拼接處理，生成所掃描區域的三維全景圖像。主要的流程為特征提取與匹配->圖像配準->圖像拷貝->圖像融合->拼接圖像導出[7]。

第一步就是特征點提取。現在CV領域有很多特征點的定義，比如SIFT、SURF、Harris角點、ORB都是很有名的特征因子。但SIFT計算量很大，它的改進方法SURF在速度方面有了明顯的提高[8]，因此本文采用SURF進行圖像的特征提取。在特征點被檢測出來之后，需要以某種方式將它們關聯起來。本文采用RANSAC（Random Sample Consensus）算法來估算單應矩陣，通過調用findHomography函數并在參數中選澤CV_RANSAC來實現圖像的可靠配準。第三步是圖像拷貝，就是將圖像直接拷貝到配準圖上。最后一步是將所有輸入圖像變形并融合到一個符合的輸出圖像中。首先計算每個輸入圖像的變形圖像坐標范圍，得到輸出圖像大小，之后使用反向變形，將每個輸入圖像的像素映射到參考圖像定義的平面上，最后在重疊區域融合像素顏色，以避免接縫。最簡單的方法是使用羽化（Feathering），即將圖像的重疊區域的像素值按一定的權值相加合成新的圖像。

4 試驗驗證

本文所研制的無人機及其飛行照片如圖2所示。飛行器在載荷623g、全重2838g情況下正常起飛，在油門50%左右實現懸停，說明動力配置比較充裕。在自穩模式和定高模式下，飛行器的姿態曲線及高度曲線如圖3所示。

圖2 四旋翼無人機實物及飛行照片

從圖3中可以看出，自穩模式下飛行器實際姿態角與期望姿態角的跟隨特性較好，且波動幅度較小，說明姿態內環控制效果良好，飛行穩定；定高模式下高度跟隨快、保持精度較高，說明位置外環動態響應特性好，穩定性及穩態精度高。

圖3 四旋翼姿態控制曲線及高度曲線

利用地面站飛行計劃設置測繪任務，相對高度50m，路徑間隔30m，航點間隔30m，自動生成的飛行路徑如圖4中黃色路徑所示；將操作切換到自動模式，解鎖無人機后輕推油門回中，飛行器即執行飛行及拍照任務，其自主飛行路線如圖4中紫色路徑所示。

圖4 飛行器自動路徑規劃及自主飛行

從圖4中可見，飛行器飛行與規劃路線保持高度一致，且起飛后自主按路徑完成巡檢任務后自主返航降落，真正實現了“一鍵巡檢”的簡單操作。

應用基于OpenCV開發的圖像拼接程序對飛行過程中拍攝的照片進行離線拼接處理，生成的全景圖像如圖5所示。圖像的中心區域拼接效果良好，建筑物輪廓特征匹配正確且融合自然。但邊緣的拼接出現扭曲，這一方面是因為邊緣的照片數量少，部分特征無法匹配，另一方面也可在拼接融合算法方面進一步改進。

圖5 全景圖像拼接效果圖

5 結語

利用無人機進行光伏電站的運維巡檢技術可行且優勢明顯。本文自制的四旋翼無人機可以滿足光伏運維的載荷、續航時間要求，且飛行控制穩定可靠，可以勝任光伏電站巡檢及場址勘測等任務。在運維功能方面，本文利用開源地面站軟件，比較簡便地實現了巡檢區域的選定和飛行路徑的自動規劃，加載了巡檢任務的無人機可以實現“一鍵巡檢”的簡便操作；利用OpenCV開發的全景圖像合成軟件效果良好，中心區域的圖像拼接融合效果滿足大場景圖像效果要求，邊緣區域也可通過減少圖像拍攝間隔、適當擴大邊緣巡檢區域、進一步優化拼接融合算法等進行改善。再進一步采用紅外、可見光雙光攝像頭，即可實現對光伏電站的熱斑檢測、積塵檢測等智能運維功能?？梢钥隙ǎ悄苓\維無人機技術必將在光伏電站得到廣泛應用，成為光伏電站智能運維的有力助手。