基于六軸飛行器盤煤系統(tǒng)的研究

邢亞飛

(湖南華電長沙發(fā)電有限公司，長沙　410000)

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基于六軸飛行器盤煤系統(tǒng)的研究

邢亞飛

(湖南華電長沙發(fā)電有限公司，長沙410000)

摘要：六軸飛行器盤煤系統(tǒng)是一種新型的盤煤系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的原理、組成和功能，通過實例驗證并與斗輪機數(shù)據(jù)進行了對比，證明該系統(tǒng)應(yīng)用于火電廠盤煤可大幅節(jié)省時間，降低生產(chǎn)成本，減輕勞動強度，實現(xiàn)盤煤工作的自動化、信息化，彌補了舊式盤煤方法的不足。

關(guān)鍵詞：六軸飛行器；盤煤；航線設(shè)定；GPS/北斗定位；激光盤煤儀

0引言

煤耗是核算火電廠發(fā)電成本的一個重要指標(biāo)[1]，為了及時、準(zhǔn)確核算火電廠的發(fā)電成本，需要定期盤點煤場燃煤儲量，以便了解當(dāng)前煤耗。

傳統(tǒng)的盤煤方法主要是人工盤煤，該方法利用推土機將煤堆先進行壓實整形，然后安排人員利用皮尺對整形后的煤場煤堆進行人工丈量，根據(jù)經(jīng)驗公式估算煤堆體積，進而得出煤場當(dāng)前的燃煤儲量。這種傳統(tǒng)盤煤方法，人為因素誤差大，不夠準(zhǔn)確，而且耗費大量人力、財力和時間[2]。現(xiàn)行的盤煤方法還有斗輪機式激光盤煤儀[3-5]。這種方法較人工盤煤先進，可以節(jié)省不少人力，但由于該盤煤儀是固定式的，而且煤堆形狀也不盡相同，用斗輪機激光盤煤儀進行盤煤時容易產(chǎn)生死角、盲區(qū)，易造成煤場、煤堆形狀誤判，計算體積時不夠精確。而且斗輪機屬于大型機械，每次開啟都耗費大量電力，行動不靈敏，盤煤耗時也比較長，既不經(jīng)濟，也不實惠。

基于六軸飛行器的新型盤煤系統(tǒng)，能夠很好地解決上述問題。該盤煤方法是火電廠實現(xiàn)快速盤煤的一種理想方法, 可為火電廠核算發(fā)電成本提供科學(xué)、準(zhǔn)確、客觀的依據(jù), 提高火電廠燃煤管理水平。

1整體功能簡述

該系統(tǒng)以機電一體化思想為核心，以無人機為載體，依靠差分全球定位系統(tǒng)(GPS)進行準(zhǔn)確定位，通過陀螺儀慣性導(dǎo)航系統(tǒng)完成自主導(dǎo)航，憑借激光測距技術(shù)實現(xiàn)相對距離的準(zhǔn)確測定，最后綜合位置、距離數(shù)據(jù)擬合出煤堆的輪廓曲面，通過積分求得煤堆體積。

該系統(tǒng)是傳感器技術(shù)、微機電系統(tǒng)控制技術(shù)、機械電子技術(shù)、計算機技術(shù)、材料學(xué)和仿生學(xué)的融合，以無人機測繪的方式更加科學(xué)地完成了盤煤工作，充分彌補了舊式盤煤方法的不足。

該系統(tǒng)由六軸飛行器、盤煤裝置以及計算控制終端共同組成，通過操作人員設(shè)定好系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，可以實現(xiàn)火電廠煤場燃煤儲量的盤點工作，將煤場盤煤工作變得更加自動化、信息化。

初次使用該系統(tǒng)時，通過控制終端給六軸飛行器設(shè)定飛行航線，飛行器按照給定航線繞煤場飛行，開展盤煤工作。盤煤完成后，飛行器自動飛回起飛點，自動降落。整個盤煤過程經(jīng)一鍵啟動后，無需人為干預(yù)，可以自動實現(xiàn)起飛、盤煤、降落等任務(wù)，完全實現(xiàn)自動化。盤煤完成后，計算終端對盤煤數(shù)據(jù)進行分析計算，將盤煤結(jié)果輸出，在顯示屏上顯示出煤場煤堆的三維圖形以及當(dāng)前煤場燃煤儲量。圖1為六軸飛行器盤煤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　盤煤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2六軸飛行器盤煤系統(tǒng)的組成及工作原理

該系統(tǒng)是以六軸飛行器為平臺[6]，上面搭載盤煤裝置，由計算控制終端進行控制計算的一套完整系統(tǒng)，各個部分環(huán)環(huán)相扣，有機結(jié)合，共同完成盤煤工作。

2.1六軸飛行器

無人飛行器越來越成為科研人員的研究熱點，上面搭載不同種類的傳感器，可以進行相應(yīng)的科研試驗和替代人類完成一些困難、復(fù)雜，甚至危險的任務(wù)。尤其是多旋翼無人飛行器結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，操作簡單、靈活，對起飛和降落場地要求不高，可以垂直起飛和降落，還可實現(xiàn)定點、定高、定時巡航，能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜地形條件[6]。

本設(shè)計中采用了多旋翼飛行器中的六旋翼飛行器，即六軸飛行器。一般來說飛行器的軸數(shù)越多，承載量越大，與四軸飛行器相比[7]，六軸飛行器具有更大的載重量，而且六軸飛行器在某個軸出現(xiàn)故障時，通過控制器的調(diào)節(jié)還能繼續(xù)飛行，從而避免飛行器發(fā)生事故而損壞上面搭載的貴重儀器、儀表，減少經(jīng)濟損失。而四軸飛行器則不同，如果某個軸出現(xiàn)故障，它將不能保持平衡，很可能發(fā)生墜機事故。本設(shè)計采用的六軸飛行器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

六軸飛行器有如下優(yōu)勢：(1)飛行載重能力大，可以搭載更多的儀器設(shè)備；(2)可以折疊，攜帶方便，所占空間不大；(3)飛行平穩(wěn)，飛行精確度高；(4)能夠?qū)崿F(xiàn)定點懸浮、定高飛行；(5)抗干擾能力強，可以在五六級大風(fēng)中按照所設(shè)航線平穩(wěn)飛行；(6)可以實現(xiàn)自動起飛，完成任務(wù)后可自動返航，整個過程無需人為干預(yù)；(7)采用6S型22 000 mA電池作為電源，電池容量大，續(xù)航能力持久，工作時間更長，能夠支持飛行器完成整個盤煤工作。

六軸飛行器的飛行原理：六軸飛行器通過調(diào)節(jié)6個無刷電機的轉(zhuǎn)速來改變其螺旋槳轉(zhuǎn)動速度，通過速度變化實現(xiàn)升力變化，進而控制飛行器的位姿和飛行航線。六軸飛行器采用6個與中心距離相等的固定傾角旋翼，它們的位置呈中心對稱。對角的一對電機產(chǎn)生相同的升力和相反的扭矩，可以使力矩達到平衡。6個無刷電機中，3個無刷電機逆時針旋轉(zhuǎn)，另外3個無刷電機順時針旋轉(zhuǎn)，可以使飛行器平衡飛行時豎直方向上的空氣動力扭矩效應(yīng)達到平衡，不會使飛行器繞其中心旋轉(zhuǎn)，從而保證六軸航向的穩(wěn)定。

2.2盤煤裝置

要完成高空定點測量計算煤堆體積，需要多個關(guān)鍵模塊配合工作。首先，設(shè)計以六軸飛行器作為載體，搭載其余模塊進行高空作業(yè)。其次，在測量過程中，需要獲取飛行器的位置數(shù)據(jù)，因此需要使用GPS定位裝置。當(dāng)飛行器到達定點位置后，需要向下測量煤堆高度，因此需要使用測距傳感器。即六軸飛行器上搭載的盤煤裝置由激光盤煤儀、GPS/北斗雙模定位系統(tǒng)及高度計、微機控制中心及數(shù)據(jù)儲存卡組成。各個模塊在微機控制中心的控制下協(xié)調(diào)有序地運行，共同完成盤煤任務(wù)。

2.2.1激光盤煤儀的工作原理

本研究采用的激光盤煤儀使用一個用來測量距離的激光雷達，用以反映發(fā)射點到反射點的直線距離[8]。在火電廠煤場盤煤時，結(jié)合激光盤煤儀的位置和高度信息，可測量出煤場煤堆的三維坐標(biāo)。該激光盤煤儀的具體參數(shù): 電源, (12±1.2) V (消耗電流最大值1.0 A，典型值0.7 A)；激光光源，半導(dǎo)體激光二極管(λ=785 nm)，激光安全等級1(FDA)；測量距離，0.1～30.0 m(最大值60.0 m)；精度，±30 mm；角度分辨率，0.25°(360°/1 440)；掃描時間，每25 ms掃描一次；噪音，<25 dB；接口，USB 2.0(全速)；同步輸出，NPN開集電極；指令系統(tǒng)，專用指令SCIP2.0；正常工作環(huán)境溫度，-10～+50 ℃；振動，雙振幅1.5 mm ，頻率10～55 Hz；質(zhì)量，約370 g(包括電纜)。

本設(shè)計中激光盤煤儀的工作原理：由主控芯片發(fā)出掃描指令，激光盤煤儀收到指令后發(fā)出測距激光，同時啟動激光儀內(nèi)部計時器開始計時，啟動接收設(shè)備接收反射信號，接收到激光發(fā)反射信號后停止計時[9]；通過距離公式s=vt(式中：s為距離；v為激光的速度；t為發(fā)射信號輸出到反射信號收到的時間間隔)可計算出煤堆上某點到激光盤煤儀的距離，然后激光盤煤儀內(nèi)部處理器將測量數(shù)據(jù)按SCIP Ver.2.0協(xié)議進行調(diào)制后發(fā)送到主控處理器。具體工作流程如圖3所示。

2.2.2GPS/北斗雙模定位系統(tǒng)

GPS由美國國防部投資建設(shè)，是一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導(dǎo)航信息,它極大地提高了地球社會的信息化水平，有力地推動了數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展。同美國GPS和俄羅斯(GLONAS)系統(tǒng)一樣，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(以下簡稱北斗系統(tǒng))設(shè)計的目標(biāo)也是致力于在全球范圍內(nèi)向用戶提供全天候的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，并將擁有更高的精度和更強的可靠性，而且北斗系統(tǒng)的短報文通信能力能夠在沒有手機信號的地方代替手機短信功能，主動將用戶的位置信息發(fā)送出去[10]。

圖3　盤煤儀工作流程

本設(shè)計采用的GPS/北斗雙模定位系統(tǒng)[11]，就是利用兩者的優(yōu)勢，準(zhǔn)確定位，用來實現(xiàn)飛行器的位置控制，可以做到經(jīng)緯度定位、精確懸停、定軌巡航。在飛行器飛行過程中，該定位系統(tǒng)向整個系統(tǒng)提供經(jīng)緯度信息，一是用來進行飛行器導(dǎo)航，二是向盤煤裝置的主控芯片提供被測點的經(jīng)緯度信息。具體工作流程如圖4所示。

圖4北斗雙模定位系統(tǒng)工作流程

2.2.3高度計

本設(shè)計采用的高度計分辨率可達到分米級，精確度極高，是一個較好的高度反饋傳感器。一般來說，垂直方向上的大氣壓是隨著高度的變化而變化的。它的工作原理是：通過測量大氣壓的變化，從而得知高度的變化。它在盤煤過程中向控制器反饋當(dāng)前的高度信息，一是向飛控反饋高度信息，用以保持飛行器實現(xiàn)定高飛行；二是向盤煤裝置的主控芯片提供被測點的高度信息。高度計具體工作流程如圖5所示。

2.2.4微機控制中心及數(shù)據(jù)儲存卡

微機控制中心是整個盤煤系統(tǒng)的主控中心，它協(xié)調(diào)各個模塊有序運行，向各個模塊發(fā)出控制指令并處理各個模塊系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)存儲卡則用來存儲盤煤數(shù)據(jù)。微機控制中心的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6　微機控制中心結(jié)構(gòu)框圖

圖5高度計工作流程

2.3計算控制終端

本設(shè)計的計算控制終端用來設(shè)定飛行器的相關(guān)參數(shù)，以及進行盤煤數(shù)據(jù)后處理的相關(guān)計算。初次使用六軸飛行器盤煤系統(tǒng)時，需要給飛行器設(shè)置一些相關(guān)參數(shù)，包括飛行高度、姿態(tài)矯正、飛行速度等，以及設(shè)定飛行航線，以實現(xiàn)自動盤煤，節(jié)省人力。其控制界面如圖7所示。

圖7　計算控制終端界面

盤煤工作結(jié)束后，需要對數(shù)據(jù)存儲卡中的數(shù)據(jù)進行處理。計算控制終端讀取數(shù)據(jù)，首先將數(shù)據(jù)按一定協(xié)議進行解調(diào)，將數(shù)據(jù)解調(diào)成相應(yīng)位置、距離等信息，然后將這些數(shù)據(jù)插值擬合，生成三維曲面圖，還原煤場煤堆圖，利用微元法積分求得煤堆的體積，然后根據(jù)公式m = ρV(式中：m為質(zhì)量；ρ為煤堆的密度；V為所測量得到的體積)計算得到煤場燃煤的質(zhì)量。

2.4實測數(shù)據(jù)

為了進一步驗證系統(tǒng)的實用性和可靠性，選擇在湖南華電長沙發(fā)電有限公司進行實地檢測，并獲得了真實、可靠的檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)解調(diào)，插值擬合后可得三維曲面圖。接下來對收集到的數(shù)據(jù)進行進一步處理，利用微元法積分[12]求得煤堆的體積，得到煤堆體積的詳細數(shù)據(jù)，如圖8所示。

為了進一步驗證檢測的準(zhǔn)確性，又進行了幾組對比試驗，并將實驗數(shù)據(jù)和電廠現(xiàn)有的斗輪機數(shù)據(jù)進行對比，具體見表1(表1中，測量體積為基于六軸飛行器盤煤系統(tǒng)所測體積，差值為該系統(tǒng)所測體積與斗輪機所測體積的差值)。經(jīng)過實地檢測和數(shù)據(jù)對比，六軸飛行器盤煤系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，測量數(shù)據(jù)翔實、準(zhǔn)確，相比于斗輪機存在掃描盲區(qū)的問題，測試性能好，在火電廠存煤監(jiān)測工作中有進一步研究推廣的實用價值。

圖8　盤煤軟件工作界面

測量測量體積/萬m3差值/萬m3相對偏差/%18.2105-0.32023.7528.2541-0.27663.2438.0980-0.43275.07平均8.1875-0.34324.02

3結(jié)束語

基于六軸飛行器的盤煤系統(tǒng)應(yīng)用于火電廠煤場燃煤的盤點工作，簡單靈活，操作便利，可大大節(jié)省盤煤時間，節(jié)省人力成本，可以為火電廠創(chuàng)造更大的效益。目前，火電廠很多煤場都在進行“數(shù)字化煤場”建設(shè)，將基于六軸飛行器的盤煤系統(tǒng)應(yīng)用到盤煤工作中，可大大推進數(shù)字化煤場的建設(shè)，全面提高火電廠的自動化與信息化水平。同時，本研究設(shè)計的六軸盤煤系統(tǒng)的應(yīng)用不僅僅局限火電廠盤煤工作，還可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)上糧堆、礦業(yè)中礦堆、砂石土方等堆積物的測量，適用范圍廣，可解決多種堆積物測量問題，是一種十分有前景的堆積物測量方法。

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(本文責(zé)編：白銀雷)

收稿日期：2016-02-15；修回日期：2016-05-02

中圖分類號：TP216

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)05-0004-04

作者簡介：

邢亞飛(1986—)，男，河北任丘人，助理工程師，從事標(biāo)準(zhǔn)化實驗室技術(shù)和煤炭市場調(diào)研方面的工作(E-mail:xingyafeincepe@163.com)。