電力巡檢特殊應用環境中無人機飛行控制系統設計

孫小霞

【摘 要】無人機現如今對大眾來說已經不再是新鮮事物，在無人機被推向商業化熱潮以后，特殊行業對無人機操作的形式高度關注了起來。特別是如今國內的高壓電網線路巡檢上也對此十分重視，因為無人機能讓整個高壓電力巡檢工作的效率得到大幅度提升。為了確保無人機電力巡檢工作的高效且穩定，相關工作人員對無人機飛行控制系統的操作環境進行了相應的研究設計。

【關鍵詞】無人機;控制系統;環境;電力巡檢

中圖分類號： TP273;V249;V279 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）26-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.26.006

【Abstract】Uav is no longer a new thing for the public.After the commercialization of uav，special industries pay close attention to the operation of uav.Especially nowadays，the inspection of high-voltage power grid lines in China also attaches great importance to this，because drones can greatly improve the efficiency of the whole inspection of high-voltage power.In order to ensure the efficiency and stability of uav power patrol inspection，relevant staff have studied and designed the operating environment of uav flight control system.

【Key words】Uav;Control system;The environment;Electric power inspection

0 引言

電力安全巡檢采用無人機操作，重點是對特高壓和高壓部分進行應急處置以及日常的安全維護，是對無人機傳感器電力巡檢系統的裝備研究，把無人機安全巡檢作業在復雜的地形及環境中完美的完成，從而對我國電網安全以及高壓巡檢的發展起到輔助作用。目前根據無人機工作的環境和操作的平臺，將無人機傳感器系統的各項指標把控限制的十分嚴格，力求能提高其精度，降低其功耗，使其啟動的更快并且更具有可靠性。

1 無人機電力巡檢的意義以及背景

撲翼、旋翼以及固定翼三種類型是無人機最常見的分類，這三種類型中的旋翼又被區分為多旋或是單旋。在眾多種類中，由于多旋無人機簡單的結構與控制靈活的特性，并且能定點懸停在空中，操作上十分簡便，而效率也比其他類型的無人機要高出不少，因此是各領域首選的研究機型。而且就目前的狀態來看，多旋無人機在各領域所發揮的作用是十分巨大并且非常有意義的。首先在農林業噴灑藥物上就得到很大的認可，畢竟使用無人機進行農藥噴灑會更加均勻，能充分利用好農藥達到更高的防治效果，從而減少了不少農藥的浪費并降低了成本。而在地理測繪方面，也能做到更精準的定位與繪制，三維建模等相對復雜的部分也能完成的更出色。更不用說是在電力方面發揮的作用了。相關人員對電力巡檢環境與地理的特殊性對多旋無人機進行了針對性的研究與改進，使無人機通過自身裝備的GPS和照相機來自定位完成線路的巡檢，還將巡檢的內容全程拍攝并傳送回相關人員處。這樣相關人員就能通過照片和影響就能對線路存在的問題進行分析與生成解決方案，并針對方案盡快將問題進行處理。這樣不僅很大程度的節省了線路巡檢時間，還將人工巡檢的各種安全隱患的發生最大化的降低。

2 無人機作業的現狀以及存在的部分問題

在多旋飛行器的研究上國內涉足的相比其他國家晚了不少，但是發展的步伐十分穩定且迅速?，F如今除了各大高校開始涉足無人機的研究之外，無人機公司也逐漸多了起來。即使人們非常注重無人機的研究與改進，其在各領域發揮的作用也巨大無比，但還是難免存在著一些不足之處。就像無人機在進行電力巡檢的過程中，如果電磁磁場因環境的復雜導致不穩定，無人飛行器的磁力計也會受到很大的影響，便無法保證無人機在線路巡檢過程中的安全性。還有就是飛行器運行速度相對較高，所以慣性自然非常大，因此在避障方面的難度是不小的，這避障方面的問題得不到解決，自然就會將無人機巡航的危險升高，因此對無人機自動避障以及主動屏蔽錯誤指令的研究就顯得十分關鍵。因此要根據操作環境與無人機本身的結構特性進行研究改進，從而使無人機在各領域使用過程中，各項指標與最終成果更加的成熟和穩健起來。

3 多旋無人機系統的主要結構

無人機的系統主要有三大部分，分別是飛行控制系統以及動力、機械系統。其中飛行控制系統是無人機進行線路巡檢是最主要的部分，這部分對無人機來說相當于大腦對人類的作用。目前飛行控制系統有公司或者學者們開源的飛控，還有就是商業公司進行設計生產出來的飛控。而無人機機械系統指的就是機身以及起落架等肉眼可觀，雙手可觸碰的各個部分了。此外動力系統就是無人機的電子調試器和電機等等。但除了這些，在無人機進行電力巡檢的過程中主要依仗的是飛行平臺系統以及多傳感器系統，還有需要依靠可視化系統以及走廊三維建模等系統的組合，通過這些系統的程序運作與數據調換以及外部數據的獲取、調換的設置，來完成巡檢工作。在進行巡檢工作的時候，無人飛行器的數據采集系統能否如實準確地采集到載機運行的信息，是對無人機巡檢能否更高效工作產生直接影響的，為此在光纖IMU數據采集系統的設計上進行了反復研究測試。目的是使其在采集與傳輸工作中能更加準確高效地完成。

4 無人飛行器數據采集系統的總體設計模式

無人機在巡檢工作中能夠平穩安全的飛行，并把相應的數據進行獲取和準確的運輸到該傳送的地方去，是離不開飛行控制系統的運作的。而飛行控制系統又是依靠傳感器來進行信息的采集與反饋。就是因為整個無人機的各系統與模塊聯系地如此緊密，一旦有其中一部分出現問題就會導致整個無人機的工作出現偏差，甚至出現不安全事件，因此要對無人機的各項系統程序與模塊進行研究，根據環境與工作的需求進行改進與優化。就像其中的數據采集系統的工作，主要就是數據同步、采集與傳送這樣一個運行模式。為了達到在短時間內的高精確度要求，就需要對慣性系統進行更精確以及更高頻的研究改良，這其中可編程的邏輯器件便是最佳選擇。因其不僅核心率高，運行速度也極高，對高頻信號的采集可以輕松完成，能夠大規模地進行系統設計。而且其可以并行運行內部的程序，并將多種不同任務進行同步的處理，并將數據采樣的速率提高了上去。與此同時，硬件系統的實現是通過PCB板設計，因為其可靠以及靈活性也是很強，所以FPGA軟件常被應用為數據采集系統的核心點。

5 實現系統軟件與硬件

5.1 FPGA脈沖采集系統的實現

光纖慣性組件中的光纖陀螺和溫度輸出等結構是屬于脈沖信號部分，因此必須要通過FPGA的計數電路設計來實現脈沖信號的采集工作。畢竟脈沖信號的采集先獲得了實現，再將溫度與加速度計信號等通過通用串口的形式與上位機進行輸出通信，才能使上位機數據的儲存與采集通過相應的軟件來實現。而其中小應用系統中還包含些許問題，也就是熟知的配置電阻以及電源、儲存器等問題也需要被關注。

5.2 溫度采集方面的電路設計

數據采集系統中最重要的部分就是溫度采集線路，因其光纖IMU對于溫度上的感知十分靈敏，畢竟慣性儀表的標度因數以及零偏會跟隨環境的溫度變化而改變，并能對器件的輸出精度造成最直接的影響。也就是以說不管是地勢的高低險峻還是四季環境溫度的變化，都會引起無人機進行電路安全巡檢時內部溫度的轉變，對數據輸出的精確度也造成了不小的影響。因此就要將采集數據板以及加速度計等周邊環境的溫度進行控制，還要做好軟件在進行工作處理時的溫度補償。

5.3 無人飛行器數據通信的電路設計

數據輸出與時間同步模塊同屬于數據輸出的部分，其中將加速度計以及陀螺數據如實并精準的傳送給上位機的部分就是數據輸出模塊的職責，而GPS和IMU的時間同步，以及將GPS里的PPS秒脈沖當作基本的是時間參考發送給IMS，再將IMS的IPS進行同步輸出來確保兩者數據的同步性工作就隸屬于時間同步模塊。而時間以RS422接口形式進行數據通信電路的就是時間模塊的工作，其采用的ASCII碼形式把加速度計以及溫度數據用串行接口跟上位機對接起來，然后上位機會使用其數據采集軟件來實現數據上的儲存、接受及解碼。另一方面通訊電路則是由發送還有波特率產生相結合運作。其中波特率產生使分頻生成通信所需的波特率是要通過外接25MHz的無源晶振來實現的，從而連同波特率時鐘一起實現。而其中的發送模塊是以RS422采用相應的芯片來保持GPS的時間同步，并依靠IMU來將所有數據運輸到上位機中，以此來確保數據的傳輸與接受的準確、可靠和高效性。

5.4 復雜環境磁場的抗磁性設計及實現

無人機發展的勢頭越是迅猛，對其高效與安全方面的要求就越是嚴格。但是由于高壓與超高壓線路周圍的磁場會根據地勢環境與溫度的改變而造成不穩定，這種現象又對無人機磁力計造成直接的影響，會容易影響解算結果使無人機無法順利運行。因此，現階段只能搭載相機結合紅外線進行遠程巡檢。為了能改善這種現狀，便對雙天線的定位測向系統進行研究、實驗并引用，這種系統能夠更好地校正航線，提高了無人機的抗干擾性，并使巡檢過程更具有安全性。

6 結束語

針對高壓線路安全巡檢的特性對無人機進行研究與更新，對我國的電網巡檢發展起著重大的輔助作用。因此在研究過程中，要將每個部分與系統進行詳細的分析與改進，并時刻進行檢修與維護，及時找到無人機巡檢過程中各系統運作的優勢與問題，及時進行調整，最大程度地保證電路巡檢的安全性與工作的高效性。

【參考文獻】

[1]劉國松，唐帥，楊李.小型無人直升機電力巡檢仿真環境設計與實現[J].計算機與數字工程，2018，46（09）：1894-1899+1930.

[2]王志方，付興建，沈潔，余建國.電力巡檢無人機的魯棒自適應容錯控制[J].武漢大學學報（工學版），2018，51（07）：646-653.

[3]丁凱.電力巡檢無人機通信中繼系統的設計與實現[J].低碳世界，2017（36）：86-87.

[4]詹仁俊.電力巡檢無人機通信中繼系統的設計與實際應用[J].通訊世界，2017（03）：210-211.

[5]趙彥平，段星輝，王建偉，馬陽軻.電力巡檢無人機通信中繼系統的設計與實現[J].科技創新與生產力，2016（03）：62-64.

[6]王銳，王柯，徐曉剛，彭向陽，陳銳民.輸電線路無人機巡檢地面測控站及運輸保障系統設計[J].廣東電力，2014，27（02）：87-92.