電力巡檢四旋翼無人機自主控制系統設計*

張新英，葛增增，王雙嶺

(1.鄭州經貿學院 智慧制造學院，河南 鄭州 451191；2.中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 450000)

0 引言

電網系統作為我國社會經濟發展的支柱性產業，為了保障其安全穩定運行，需要定期對高壓桿塔及其輸電線路作故障排查。相對于電力工人現場攀爬桿塔或者使用望遠鏡觀察的方式進行排查，四旋翼無人機能夠更好地進行電力巡檢，既保證了電力工人的人身安全，又能夠保質保量地完成電力巡檢任務，具有很高的科研價值。本文四旋翼無人機的自主控制系統主要以STM32F303CCT6芯片進行系統的協調工作，使用MPU6050實現無人機飛行姿態的解算，使用GPS實時測量無人機的位置信息，使用超聲波測距檢測無人機的飛行環境。經過驗證與調試，能夠實現無人機的定點懸停與自主避障，完成無人機的自主飛行[1-5]。

1 自主控制系統總體架構

四旋翼無人機的自主控制主要實現四旋翼無人機的自主飛行控制、定點懸停、自主避障以及路徑的規劃[6-10]。圖1為無人機自主控制系統結構框圖，由各個模塊完成系統的控制。

圖1 無人機自主控制系統結構框圖

主控STM32F303CCT6負責協調系統；姿態傳感器檢測無人機的飛行姿態；電源管理模塊負責檢測電量消耗，進行充放電；無線通信模塊實現無人機的遠距離通信；電機驅動模塊通過調節PWM占空比控制電機運行；GPS模塊實時測量無人機的位置信息；避障模塊檢測無人機的飛行環境。

1.1 主控制器

考慮到硬件設計的問題，要求主控制器擁有足夠多的通訊接口，其運算速度和主頻要強。系統主控制器選擇STM32F303CCT6芯片，該芯片是一款采用Cortex-M4內核設計的微處理器，其功耗為238 μA/MHz，尺寸小，功耗小，可靠性強，能提供豐富的各類接口(UART、I2C、SPI、USART等)。圖2為STM32 F303CCT6電路連接圖。

圖2 STM32F303CCT6電路連接圖

1.2 自主飛行控制

四旋翼無人機接收到起飛信號，GPS數據精度滿足要求后，將自動起飛到設定位置。四旋翼無人機到達設定位置后，就可以根據設定信息進行自主運行，由GPS模塊測量無人機的信息并記錄。將讀取的坐標數據作為水平位置設定值，這樣就在高度控制的基礎上增加了位置控制。按順序讀取位置信息，將其當做期望位置對四旋翼無人機進行控制，從而達到自主飛行的目的。當四旋翼無人機結束自主飛行任務后，系統會切換到返航模式，使其自主地返回到起飛點坐標并實現降落。

1.3 定點懸停

使四旋翼無人機保持定點懸停的核心是能夠得到無人機精確的坐標。由于電力巡檢四旋翼無人機巡航時間一般不太長，飛行半徑一般不超過3 km，高度一般不超過2 km，計算時可以忽略地形的變換，忽略掉地球的曲率，將地球近似為一個標準的球體，將坐標系以及無人機的經度和緯度近似為O=(lato,lono),P=(latp,lonp)。其中，lat為緯度，lon為經度。則慣性坐標系的定義計算式為：

(1)

其中：R為地球半徑；lat1、lat2分別為第一次和第二次緯度值。已知x和y坐標的數學公式，R約等于6 371 km(地球半徑)，經緯度單位為弧度。由于GPS數據更新速度慢會出現延遲的信息，這可能會導致位置控制的延遲，也可能導致系統的發散。為解決這一問題，使用一種GPS解算方法，結合GPS和加速度各自的位置信息來提高位置信息的獲取。根據二者的優缺點，使用GPS更新周期的加速度來估計位置，周期時間利用GPS得到的準確數據，將積分復位返回，以保證位置數據的獲取。

設GPS在i(i=1,2,3,…，n)時刻得到無人機的實時位置，式(2)為估算位置的解法：

(2)

其中：pi為獲取的位置；vi為速度，ai為加速度；T為更新周期；Δt(Δt

通過測量無人機的位置信息，使無人機停留在預設位置。無人機會自動調節自己的位置，使自身不偏離預設目標，如果受到外部因素影響，由控制單元進行補償。

2 自主控制系統軟件設計

自主控制軟件流程如圖3所示，系統初始化完成后，將MPU6050采集到的無人機數據通過PID進行姿態融合、通過GPS模塊實時讀取無人機的位置信息和速度信息；主控制器按時發送無人機的實時數據，當接收到飛行高度、飛行經緯度和飛行速度等參數的設置命令以及記錄GPS的坐標點的設置命令時，對這些數據信息進行實時儲存；在接收到起飛的命令信號后，將起飛命令發送給飛控單元，GPS記錄此時的經緯度坐標作為起始點，姿態算法開始執行，并通過電機輸出PWM波控制電機運行；當無人機起飛成功后，無人機保持當前狀態沿線飛行，并開始巡視工作，此時的主控制器會按照設置的相關指令執行相關飛行動作，依據飛行參數，得到下一個目標點的高度信息和無人機的姿態角信息，然后將飛行動作的命令發送到飛控單元中，使無人機改變姿態。當出現障礙物時，避障功能模塊對檢測到的實時距離數據進行讀取，避障算法開始執行，待避障完成后繼續向目標路徑點飛行。巡視工作結束后，無人機返回到起點降落。系統運行時，可以通過遙控器發送終止命令，此時無人機開始返航或降落。

圖3 自主控制軟件流程

3 仿真測試

通過仿真測試，觀察無人機是否按照路徑規劃運行，無人機的軌跡跟蹤位置結果如圖4所示，無人機軌跡跟蹤速度結果如圖5所示。

圖4 無人機軌跡跟蹤位置

圖5 無人機軌跡跟蹤速度

通過結果分析，無人機能夠進行穩定的軌跡跟蹤，很好地到達預期位置，有較好的位置跟蹤性能，能夠滿足預設要求，有較強的抗干擾能力。

4 總結

本文對電力巡檢四旋翼無人機自主控制系統進行研究，采用STM32F303CCT6芯片作為主控制器，采用GPS進行定點懸停，采用超聲波測距實現無人機的自主避障。通過實驗，該系統能夠很好地進行軌跡跟蹤，滿足預設要求。穩定地在空中進行定點懸停，當遇到障礙物時，能很好地進行自主避障，有較好的位置跟蹤性能，實現無人機的自主控制。