基于電力巡檢的四旋翼無人機控制系統研究

劉 豫，劉佳鑫，賈云飛，馮愷鵬

(1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

近年來，隨著國內經濟的不斷發展，人們對于電量的需求不斷增加，大量特高壓輸電線路不斷地建造并投入運營，這些電線一般都位于山區荒漠等人跡罕至的區域[1-3].傳統的電線檢測效率低，且需要大量勞動力，不能適用于如今日益復雜的電網結構，因此，為了使輸電線路檢測向智能化自動化方向發展，通過無人機搭載航空巡視裝置，對電力系統進行檢測，這種方法相較于傳統的巡檢模式具有效率高、不需要大量勞動力、安全系數極高、適合野外作業、使用和維護費用低等優點[4-5].為了實現對無人機的控制，讓其實現電力巡檢作業，設計了合理的巡檢系統以及四旋翼無人機的控制系統就顯得尤為重要.本文對無人機電力巡檢系統進行研究分析，就其中四旋翼無人機電力巡檢系統設計了相應的控制模塊.

1 基于無人機的電力巡檢系統組成

無人機的巡檢系統由兩部分組成：① 機載巡檢系統；② 地面工作站.其中機載巡檢系統主要由4個分系統組成，包括：無人機、無線通訊裝置、檢測裝置、數據管理[6].無人機巡檢系統總體結構如圖1 所示.

地面站系統是整個系統的指揮中心，其主要任務就是對無人機進行操控，同時還需要接收由機載巡檢裝置拍攝的圖像信息，并將其實時顯示出來，由地面人員進行監控，實時發現電力系統中可能存在的問題，并進行維護.

一般情況下，用于電力巡檢系統中的無人機大致可分為兩種：① 固定翼式無人機；② 旋翼式無人機.旋翼式無人機以其體積小，結構簡單，成本低，機動性高，具有垂直起降和懸停能力等眾多優點，常被用于電力巡檢系統.而旋翼式無人機中又以四旋翼無人機應用最為廣泛.

機載無線通信系統接收地面站發送的控制指令，同時，又將無人機采集到的各種電力線狀態信息以及無人機自身的位置與姿態信息發送給地面站，對于電力巡檢系統，無線通信系統傳輸的狀態信息主要是電線的圖像信息，一般情況下，無線圖像傳輸與位置及姿態信息傳輸分為兩部分，即圖像傳輸系統與數據傳輸系統，以確保檢測設備拍到的圖像實時傳輸到地面站.

數據管理分系統主要是將圖像與電力線預存的圖像進行對比，保證在地面站無人的情況下，仍能通過圖像數據與數據庫中已存在的數據進行對比，生成報告，檢測電力線中是否存在缺陷，可以提高系統的檢測精度，對故障的查詢以及管理更有益處[7].

2 四旋翼無人機控制系統研究

2.1 控制器設計

為了研究方便提出以下幾點假設：① 四旋翼無人機是結構完全對稱的剛體，運動過程中不會發生彈性形變；② 四旋翼無人機的機翼正交安裝，且幾何中心、重心以及機體坐標系的原點重合；③ 四旋翼無人機的4個螺旋槳產生的升力與反扭矩僅與旋翼的轉速有關.

基于以上假設，四旋翼無人機的動力學模型就成了一個結構對稱且質量均勻的6自由度剛體模型，其運動可以分為系統質心的平動以及系統繞質心的轉動.

建立四旋翼動力學模型：

式中：U1,U2,U3,U4為4旋翼無人機控制系統的4個控制量;l為四旋翼無人機電機轉軸距機體中心的距離;K1,K2,K3,K4,K5,K6分別為四旋翼無人機飛行過程中平動與轉動時受到的阻尼系數；d1,d2,d3,d4,d5,d6為系統控制過程中受到的隨機擾動，該擾動有上界，即d<|D|，D為常量.由于四旋翼無人機系統是個典型的欠驅動非線性系統，因此采用滑模變結構控制器，可以有效地對其進行控制.因此，系統整體控制器如圖2 所示.

圖2 系統整體控制器Fig.2 System integral controller

整個控制系統分為內外兩環進行控制，外環為位置控制器，內環為姿態控制器.根據系統狀態方程可以得到四旋翼無人機系統各子系統基于滑模變結構控制器的控制律，四旋翼無人機位置控制器控制律為

姿態控制器控制律為

由于通過姿態控制系統中ψ子系統單獨的控制律設計可以實現對ψd的快速跟蹤，因此假設滿足位置控制律所需的姿態角為γd,θd，通過式(4)進行求解，得到外環產生的中間指令信號θd，γd和位置控制系統的控制律U1.

(4)

(5)

式中：v(t)是待微分量;x1是對信號進行跟蹤;x2是信號的一階導數;x3是信號二階導數的估計量.

由文獻[9，10]可知，在內環控制中，內環系統的跟蹤誤差會對整個閉環控制系統有較大的影響，因此，為了保證整個閉環系統的穩定性，一般通過使內環收斂速度大于外環收斂速度的方法.本算法中通過調整內環控制系統的增益系數，保證內環收斂速度大于外環收斂速度.

對于該四旋翼無人機控制系統，定義Lyapunov函數

(6)

通過Matlab對該控制器進行仿真，Matlab的Simlink仿真圖如圖3 所示.

圖3 Simlink仿真圖Fig.3 Simulation diagram of simlink

圖4 跟蹤性能仿真圖Fig.4 Tracking performance simulation diagram

從圖4 中可以看出，該算法對于正弦余弦信號以及階躍信號的跟蹤相應時間較快，且超調量較小.

由于在無人機電力檢測過程中，四旋翼無人機很容易受到外界干擾，因此對系統抗干擾能力進行在線仿真，在8 s時給系統未知信號引入一個幅度為2的干擾信號，則系統抗干擾性能如圖5 所示.

圖5 抗干擾性能仿真圖Fig.5 Anti-jamming performance simulation chart

圖5 中可以看出，在系統受到干擾后，四旋翼無人機可以自主地回到目標軌跡，因此在電力檢測過程中，四旋翼無人機在地面無人操控的情況下，受到外界干擾，仍然能夠按照預期軌跡進行飛行，完成對電力設施檢測的任務.

綜上，通過對四旋翼無人機設計滑模變結構控制器，并用Matlab進行在線仿真，結果表明該控制器擁有較好的軌跡跟蹤性能，在無外界控制信號輸入時，受到外界干擾后，仍然能夠繼續跟蹤目標軌跡，完成預期任務，因此運用滑模控制器的四旋翼無人機可以很好地完成按照規定軌跡的電力巡檢任務.

2.2 四旋翼無人機控制系統設計

四旋翼無人機控制系統采用ARM處理器，ARM處理器是一種低功耗的RISC微處理器，其大量使用寄存器，指令執行速度快，執行效率高.本系統中ARM芯片選擇的是STM32F103ZET6，其內核是ARM32位的Cortex-M3，最高可達72 MHz 的工作頻率，芯片集成了定時器、ADC，UART，SPI，I2C，CAN等外設.姿態測量傳感器選用MPU6050，其是一款整合性6軸運動處理組件，相較于其他組件方案，它能免除組合陀螺儀與加速度計時間軸之差的問題，同時也大大減少了封裝空間，它能通過I2C或者SPI端口提供完整的九軸運動融合數據輸出.STM32最小系統如圖6 所示.

圖6 STM32最小系統電路圖Fig.6 STM32 minimum system circuit diagram

控制系統接收MPU6050整合的姿態信息，通過STM32進行控制算法運算，產生電機所用PWM信號，根據PWM的占空比調節電機轉速，從而調節四旋翼無人機的姿態，讓無人機按照地面站指令軌跡進行飛行.

由于四旋翼無人機巡檢系統往往需要進行長時間的探查，為了讓無人機在電量耗盡時提前返航，本系統加入了對四旋翼無人機電量檢測功能，對于一般鋰電池，其電壓會隨著其電量的減小而變低，因此可以通過STM32的ADC外設對電池電壓進行監測，以保證讓四旋翼無人機有充足的電量進行返航.STM32控制系統程序流程圖如圖7 所示.

圖7 STM32程序流程圖Fig.7 STM32 program flow chart

3 結束語

本文為用于電力巡檢的四旋翼無人機設計控制算法，通過構造Lyapunov函數，證明系統的穩定性，并通過Matlab的Simlink仿真功能，驗證了該算法擁有較優異的軌跡跟蹤性能，以及受到干擾后快速恢復原軌跡功能.通過使用STM32與MPU6050設計了相應的硬件系統，通過PWM波控制電機轉速，從而達到讓四旋翼無人機按照目標軌跡飛行的目的，從而完成電力巡檢的任務.