基于四旋翼無人機的輸電線路巡檢實時自主跟蹤系統設計

王博文,劉興東

(國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430064)

1 引言

近年來使用無人機(UAVs)進行輸電線路巡檢引起了相關領域的高度重視。使用無人機激光雷達或攝像頭在輸電線路巡檢中可以提高檢測精度和效率。而在各類無人機中，由于四旋翼直升機獨特的無跑道著陸/起飛，盤旋和自由飛行特性，易于攜帶和輕便性，所以是執行此任務的絕佳工具。

如今已有大量文獻關注此問題。文獻[1]在一個傳輸線場景提出了使用激光雷達數據的分類方法。文獻[2-4]介紹了輸電線路巡檢方法，設計與實現了激光雷達傳感器硬件。文獻[5]使用了激光雷達和立體視覺的組合用于旋翼機無人機障礙物的避免。文獻[6]在路徑規劃提出了避障方法。文獻[7]提出使用相機進行檢測高傳輸線高效圖像分割方法。文獻[8]介紹一種基于計算機視覺的輸電線路巡檢系統。

輸電線路巡檢在無人機上使用激光雷達或攝像機已經被廣泛研究。然而，四旋翼無人機在輸電線路巡檢中的一般應用是利用安裝在四旋翼無人機本體上的攝像機跟蹤預定路徑點產生的軌跡，拍攝圖像或視頻。視頻記錄的圖片只能在任務完成后離線分析，拍攝的視頻也被先發送到地面站，再通過使用遠程控制器進行避障和軌跡修剪，使其更容易與無人機進行交互。但是這種方法由于高質量的實時視頻傳輸對帶寬和電磁場的要求非常高，使得四旋翼無人機在傳輸線附近的操作非常困難，限制了此類應用的范圍。所以需要設計一種高性能的硬件和傳輸線探測器來實現四旋翼無人機在輸電線路巡檢時的實時自主跟蹤。

2 硬件設計

四旋翼無人機模型如圖1所示。配備4個無刷轉子，75cm的轉子直徑，采用22.2V、22000mah兩個鋰離子電池，提供最大2kg有效載荷，飛行時間60分鐘。

圖1 四旋翼無人機模型

為了將無人機升級到自主飛行系統，設計并安裝了外部航空電子系統。系統安裝了一些傳感器和設備，包括高精度IMU、Novatel OEM617雙天線差分GPS、Velocyne DLP16激光雷達掃描儀、自制無線數據鏈等。原廠遙控系統預留了備份和危險規避。四旋翼無人機的傳輸線檢測電子學圖如圖2所示。

圖2 四旋翼無人機的傳輸線檢測圖

無人機中的航空電子系統設計為兩級結構。較高級別稱為飛行控制器，它基于一個運行在1.5GHz的三星CPU板，帶有8GB閃存和2GB 存取內存。處理器還包括一些外部接口資源，如通用串行總線(USB)樞紐、以太網接口、通用異步接收發送器(UART)接口等。飛行控制器的航空電子設備的硬件結構如圖3所示。

圖3 無人機航空電子設備的硬件架構

根據原飛行器平臺安裝電機驅動器的要求，更新頻率選擇為500Hz。每個更新周期的全時間為2ms，這樣處理器就足夠快，這使得它能夠處理所有的計算任務，包括傳感器融合和控制律計算。但是這種處理器由于其有限的低電平，不足以處理其他任務，包括讀取傳感器和產生脈寬調制(PWM)信號。本文設計了一種基于FPGA的低電平輸入/輸出(I/O)并行數字模塊，包括傳感器讀取和預處理、PWM信號捕獲、輸入信號封裝、PWM產生等。選用AlteraTM CycloneⅢ系列FPGA，運行在50MHz，提供196個獨立的I/O口，足以處理上述任務。上級處理器與下級數字I/O之間的數據鏈波特率為每秒115200bit。

3 軟件設計

在無人機的處理器部分，選擇C++作為編程語言。程序采用多線程結構設計，其中包括3個優先級不同的線程。主線程包括傳感器融合、控制器計算、航路點生成和激光雷達數據處理等功能模塊。I/O數據收發的子線程是最高優先級，它包含對時延敏感的同步時鐘信息。GPS數據線和地面站命令線由于處理優先級要求較低，優先級較低。一旦收到完整的I/O數據幀，就會觸發主定時器，并順序執行功能塊。此外，下層線程的數據被更新并存儲在相關的堆棧中，等待主線程訪問。飛行控制器軟件架構如圖4所示。

圖4 飛行控制器軟件架構圖

在I/O數據處理部分，由于實時性的要求，采用FPGA設計了兩個數據總線。該串行總線用于與A9處理器進行數據交互。為了避免丟失數據，設計了直接存儲器訪問(DMA)緩沖區來接收來自A9處理器的串行數據，該緩沖區可以獨立地進行緩存。進一步設計了并行總線來處理采集傳感器數據、從R/C接收機和超聲模塊捕獲的PWM信號、產生PWM信號驅動電機等任務。并行總線上的任務可以獨立工作，系統時鐘最高可達500Hz。收集的數據存儲在輸出堆棧中。I/O模塊的軟件結構如圖5所示。

圖5 I/O模塊的軟件結構

作為硬件和軟件設計的總結，執行時間分別由各個層次來衡量。整個信號捕獲時間，包括傳感器讀取和PWM信號的捕獲，以及PWM信號的產生，低于0.3ms，通信時間低于0.2ms。此外，傳感器融合和控制器計算的時間可以減少到1ms以內。這樣在一個周期內總執行時間小于1.5ms，為先進的數據融合和控制策略提供了足夠的能力。

4 卡爾曼濾波器設計

卡爾曼濾波是一種有效的噪聲數據濾波和高性能融合方法[9]，本文針對激光雷達原始數據噪聲嚴重、不連續的特點，設計了一種用于激光雷達數據處理的離散卡爾曼濾波器。狀態方程如下所示。

(1)

(2)

其中,Px，Py和Pz分別代表位置，Vx，Vy和Vz分別代表速度。

第k次迭代的測量方程為:

(3)

離散卡爾曼濾波可以表示為：

(4)

5 飛行試驗

利用四旋翼無人機樣機進行了實際飛行試驗。設置了預定路徑點，使四旋翼飛行器能夠在輸電線路上方飛行。為了評估樣機的性能，選擇了單根傳輸線的場景。首先，將四旋翼無人機手動操作到靠近一條電源線的位置，然后無人機開始跟隨檢測到的傳輸線飛行，將收集到的數據被送往地面站。圖6給出了傳輸線檢測和跟蹤的重構數據。可以看出，原型系統能夠正常工作，成功地檢測到了輸電線路并跟蹤了它。

圖6 處理過的激光雷達數據，經濾波后的傳輸線被四旋翼無人機成功捕獲并繪成黑線

6 結論

本文利用四旋翼無人機設計了一套輸電線路實時自主跟蹤巡檢系統，并安裝了雙天線GPS、激光掃描儀和飛行處理器。飛行處理器軟件設計為兩級，下層用于傳感器數據采集，上層用于控制律計算和濾波。利用卡爾曼濾波器從GPS和激光掃描儀獲取傳輸線的位置，產生相對位置、速度和航向，進行了實際飛行實驗，驗證了所設計系統的可行性。在今后的工作中，將設計一種新的算法來同時檢測多條線路。并將控制器設計在其中考慮外部擾動的先驗知識，這樣就可以獲得魯棒跟蹤性能。