電力線無人巡檢機器人

魯雨鑫 程勇健 劉錦鵬

摘要：該項目內容是做一架可高壓線無人巡檢飛行器，它可遠距離監控和GPS定位。工作在高壓線下，因為需要數據的傳輸，我們需要在每個高壓塔下建立工業級基站，因為高壓線塔最大距離190米，所以工業級基站完全可以覆蓋整個工作區域，基站之間可以用無線連接，如果要求傳輸數據更加準確則可以采用光纜連接。總站可設備兩臺PC機用來觀察圖像和發布指令。高壓線無人巡檢飛行器的主要部分為：攝像頭系統、陀螺儀平衡系統、無刷電機調速系統、GPS導航系統、無線遙控系統、串口WiFi轉換系統和控制系統等組成。各個系統相互配合完成所需任務。

關鍵詞：高壓線;巡檢;飛行器;STM32;

1、簡介

此項目的研究目的在于，高壓線塔是電力傳輸的重要組成部分，颶風和暴風雪是高壓線塔的最大威脅，非常容易造成高壓線塔的斷裂和倒塌，對電力設施檢測是重要的環節，對高壓電線的檢測需檢測人員爬上高大高壓架上檢測，不僅會帶來生命威脅，還費時費力勞民傷財，檢查環境也很艱苦和惡劣。此次創新項目的主要內容就是針對這一現象設計出能遠距離操控和傳輸圖像錄制圖像自身可GPS定位的高壓線無人巡檢飛行器，以解決目前的難題，保證高壓電力的傳輸安全實現高壓線塔遠程監控和鋼架狀況診斷。

本項目采用四旋翼飛行器作為巡檢工具，它是一種電動的、能夠垂直起降的、多旋翼式遙控自主飛行器，微小型四旋翼無人機能夠適應各種環境;具備自主起飛和著陸能力，高度智能化;能以各種姿態飛行，如懸停、前飛、側飛和倒飛等，具有廣闊的應用前景。

2、巡檢系統整體設計與論證

1）巡檢系統設計

本項目設計了一種基于WiFi的高壓線無人巡檢飛行器系統，實現了四旋翼的飛行穩定控制及WiFi高速數據通信，實時傳輸視頻等大帶寬數據。巡檢飛行器系統，該系統采用小型四旋翼作為運載平臺，高性能的STM32F103單片機做為飛行控制核心，直流無刷電機電調為動力驅動，利用多維陀螺儀加速度計等傳感器檢測姿態信息，通過互補濾波等進行數據處理及姿態解算和融合，得到姿態角，采用雙閉環（串級）PID控制方法，實時修正飛行姿態，通過組建WIFI網絡，實時傳輸攝像頭拍攝的視頻數據，為解決WIFI通信距離短的問題，采用了WDS技術，即無線分布式系統，通過鋪設臨時熱點“基站”，中繼無線信號，能有效地擴展WIFI無線信號的覆蓋范圍。

2）方案論證

（1）巡檢平臺的論證

四旋翼飛行器作為巡檢平臺。

可用于電力輸電線路巡檢的無人飛行器有很多種類，一般可分為多軸的、固定翼的以及直升的三種結構形式，按這三種結構類型可得如下方案：

方案一：多軸結構形式的飛行器，根據螺旋槳數量的不同，又可細分為四旋翼、六旋翼、八旋翼等。一般來說，旋翼數量越多，飛行的就會越平穩，操作相對就越更容易，當然啦，載重也更大，功耗也會更多。

方案二：固定翼結構形式的飛行器外形像“十”字或“士”字，機翼與機身垂直。這類飛行器一般需要一定起飛條件或場地，譬如說需要滑翔跑道進行起飛或著陸等。續航、載重以及抗風等能力較上述旋翼機強。

方案三：直升結構形式的飛行器，一般體型較大、油動驅動、需要專業操作人員操控，鑒于體型較大、操作技術難度大等不便造成該類飛行器在民用市場應用的較少。

鑒于實際及多旋翼飛行器的優越性，我們采用方案一，且采用四旋翼無人飛行器作為最終的運載平臺。四旋翼無人飛行器是一種具有4個螺旋槳的飛行器并且4個螺旋槳呈對稱的“十”字形交叉結構，對角的電機轉向相同、不對角（相鄰）的電機轉向相反，其結構小巧、簡單、易于操作，特別適合用于巡檢、偵察等任務。

（2）視頻數據通信方案論證

電力線路檢測無人飛行器的關鍵技術問題之一的大帶寬長距離數據通信問題一直是研究難點及熱點，那么目前用于小型無人飛行器通信的技術或手段主要有以下幾種：

第一：利用數傳電臺

數字式無線數據傳輸電臺，簡稱數傳電臺，這是目前使用最為廣泛的通信方式，通信距離比較遠，可以達到數公里，一般用于傳輸控制指令等數據，但是面對高清圖像視頻等對傳輸帶寬大的數據就有點力不從心了，雖然目前有針對視頻圖像傳輸提高發射功率的圖傳模塊，也能傳輸視頻圖像數據，但面對不斷提高的電力線路檢測效率與精度要求，需要傳輸越來越大帶寬的數據，顯然數傳電臺不能滿足未來發展需要。

第二：利用4G/5G網絡

隨著移動通信網絡的高速發展，特別是近年來4G/5G高速蜂窩網絡的發展普及，部分廠家提出了在巡檢無人機上4G/5G網絡模塊的解決方案，這樣就可以通過4G/5G高速網絡將監控信息傳回監控中心或者接入Internet遠程實時監控無人飛行器。采用此方案具有傳輸距離極遠，且不受山川地形的限制，還能遠程監控。但目前4G/5G網絡覆蓋的還不夠全面，特別是一些偏遠山區，信號質量也是個問題，且4G/5G網絡是按流量收費的，對于傳輸視頻等大帶寬數據，不是很經濟。應用受到一定限制。

第三：利用衛星通信

采用衛星通信通信方案，無人機采集視頻圖像信息，通過車載衛星轉發系統將信息轉發到監控中心。該方案可以實現電力線路及鐵塔的現場監控，達到超遠距離無限視頻圖像傳輸，但是衛星通信費用高昂，且通信延遲較大，易中斷，同樣，應用也受到限制。

第四：采用WLAN無線局域網路

目前部分無人機玩具上采用了WiFi無線局域網路，主要用來航拍錄像等，但傳輸距離很有限，往往一般就幾十米有效距離。很少有應用到電力線路檢測方面。

參考文獻

[1]李勁松，楊煉，王樂天.小型四旋翼無人直升機自適 ?應優化控制[J].上海交通大學學報，2015（2） ： 202-20.

[2]鄒存名，姚婷婷，岳偉，等.多種算法下的四旋翼飛行器高度控制設計[J].控制工程，2017（1） ： 28-32.

[3]李航，王耀力.四旋翼飛行器中PID控制的優化[J].電子技木應用，2017（2） ： 73-76.

[4]萬曉鳳，康利平，余運俊，等.互補濾波算法在四旋翼飛行器姿態解算中的應用[J].測控技木，2015， 34（2） ： 8-11.

基金項目：省級大學生創新創業訓練計劃（項目號202110201087）資助項