智能無人機(jī)站設(shè)計

王 琪，裴 楚，武 娜

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001）

0 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)在各行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，尤其在電力系統(tǒng)巡檢中，無人機(jī)在面對丘陵、高山、沙漠等特殊情況時[1]，發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢，有效提高了電力設(shè)備的巡檢效率，但無人機(jī)的航行時間短、不便收納、需要工作人員頻繁介入等缺點，限制了無人機(jī)在電力巡檢中的推廣應(yīng)用。本文設(shè)計了一種智能無人機(jī)站，具備電量管理、氣象監(jiān)測、無人機(jī)管理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲等功能，降低了人工干預(yù)，為實現(xiàn)無人機(jī)持續(xù)自主巡檢提供保障。

1 智能無人機(jī)站硬件結(jié)構(gòu)

智能無人機(jī)站為防水結(jié)構(gòu)，設(shè)計尺寸為80 cm×60 cm×50 cm，使用1.5 mm不銹鋼板制作箱體，具有一定的抗強(qiáng)風(fēng)、防沖擊性能，設(shè)計可視窗方便內(nèi)部設(shè)備安裝及功能調(diào)試，側(cè)向擋板打開可推出停機(jī)平臺供無人機(jī)起停，內(nèi)部停機(jī)平臺使用2 mm鋁合金板材制作，以減輕機(jī)站的整體質(zhì)量。機(jī)站內(nèi)部安裝有主控模塊、太陽能控制器、蓄電池、動力裝置、機(jī)械裝置等設(shè)備。主控模塊以STM32單片機(jī)為平臺，配備WiFi模塊、顯示屏、4G模塊等；供電系統(tǒng)中太陽能板安裝在機(jī)站頂部，為機(jī)站提供持續(xù)電力供應(yīng)，陰雨天氣下，蓄電池可以保障機(jī)站正常工作10 d；機(jī)站使用接觸式充電裝置為無人機(jī)充電，無人機(jī)電池為多塊鋰電池并聯(lián)的電池組，為確保電池安全充電，在停機(jī)平臺上安裝平衡充電裝置，引出無人機(jī)電池電極至起落架上，通過起落架與無人機(jī)的接觸面實現(xiàn)電池充電。

2 智能無人機(jī)站系統(tǒng)軟件功能

智能無人機(jī)站系統(tǒng)具備電量管理、氣象監(jiān)測、無人機(jī)管理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等功能，這些功能全部通過主控模塊控制實現(xiàn)，涉及的技術(shù)有電量管理技術(shù)、串口通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。

2.1 電量管理功能

由于天氣變化等原因，蓄電池會面臨過充電、過放電等安全性問題，考慮到機(jī)站蓄電池負(fù)載沒有大功率設(shè)備，輸出電流均在1 A以內(nèi)，工作中蓄電池溫度變化較小，蓄電池不存在過溫度問題。電量管理是主控模塊對機(jī)站蓄電池的充放電狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)控，以保障蓄電池的安全。目前，關(guān)于電池電量的研究，主要是通過測量電池的電壓、電流、內(nèi)阻等參數(shù)，分析出電池電量與這些參數(shù)的關(guān)系，常用的方法有開路電壓法、容量積分法、電池內(nèi)阻法等[2]。主控模塊需要分時執(zhí)行不同任務(wù)，無法做到實時監(jiān)測電池的電壓、電流等參數(shù)。無人機(jī)站使用開路電壓法設(shè)計分時測量電量功能，設(shè)計如圖1所示。

圖1 電量管理結(jié)構(gòu)

開路電壓法以測量電壓為基礎(chǔ)，電池的開路電壓隨著電池電量的增加而增大，系統(tǒng)使用12 V、24 Ah蓄電池，最大放電電壓13.6 V，最小放電電壓10.6 V，設(shè)定0.2 V的安全裕量，通過電壓傳感器監(jiān)測蓄電池的電壓，電壓傳感器的輸出經(jīng)I/O口輸入至主控模塊，主控模塊向太陽能控制器發(fā)送開關(guān)信號，控制蓄電池的充放電。

2.2 氣象監(jiān)測功能

智能無人機(jī)站外部安裝有51WS3通用三代氣象模塊及WX2018風(fēng)速風(fēng)向雨量傳感器，用于測量環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等信息。該氣象模塊使用8051單片機(jī)，將各傳感器數(shù)據(jù)處理并編碼通過串口通信，發(fā)送給主控模塊。氣象數(shù)據(jù)包括實時風(fēng)向、實時風(fēng)速、前1min平均風(fēng)速、前5min最高風(fēng)速、前1 min雨量、溫度、濕度信息等。

無人機(jī)在執(zhí)行巡檢任務(wù)時，智能無人機(jī)站提前30 min開始工作，收集當(dāng)前的天氣信息，主控模塊將根據(jù)信息使用最小二乘法做數(shù)據(jù)擬合，由此預(yù)測出無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時后20～30 min內(nèi)的氣象條件，由氣象條件特征進(jìn)一步做貝葉斯分類。

貝葉斯分類算法是統(tǒng)計學(xué)的一種分類方法，它是一類利用概率統(tǒng)計知識進(jìn)行分類的算法。設(shè)每個數(shù)據(jù)樣本用一個n維特征向量來描述n個屬性的值，即：X=｛x1,x2,...,xn｝，假定有 m 個類，分別用 C1，C2，…，Cm表示。給定一個未知的數(shù)據(jù)樣本X（即沒有類標(biāo)號），若樸素貝葉斯分類法將未知的樣本X分配給m類，則一定是

根據(jù)貝葉斯定理，由于P（X）對于所有類為常數(shù)，最大化后驗概率P（Ci|X）可轉(zhuǎn)化為最大化先驗概率P（X|Ci）P（Ci）。如果訓(xùn)練數(shù)據(jù)集有許多屬性和元組，計算P（X|Ci）的開銷可能非常大，為此，通常假設(shè)各屬性的取值互相獨立，這樣先驗概率P（x1|Ci），P（x2|Ci），…，P（xn|Ci）可以從訓(xùn)練數(shù)據(jù)集求得。

根據(jù)此方法預(yù)測晴天C1、雨天C2。假設(shè)濕度用H 表示，分為 1、2、3 級，分別用為 h1、h2、h3表示；云層密度（可通過光照強(qiáng)度推算）用M表示，也分為1、2、3 級，用 m1、m2、m3表示。通過統(tǒng)計以往該地區(qū)出現(xiàn)晴天和雨天時的天氣條件特征｛h1、h2、h3，m1、m2、m3｝，計算出先驗概率P（hi|Cj）、P（mi|Cj）（i=1，2，3；j=1，2）。同時，假設(shè)濕度H和云層密度M相對獨立，那么天氣情況預(yù)測就轉(zhuǎn)換為

由貝葉斯公式

得晴天的概率即為

得雨天的概率即為

選擇其中概率最大的類別作為天氣預(yù)測結(jié)果。

2.3 無人機(jī)管理功能

智能無人機(jī)站根據(jù)氣象監(jiān)測功能及無人機(jī)電量信息，判斷當(dāng)前情況是否適合無人機(jī)執(zhí)行巡檢任務(wù)，同時在無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)期間，無人機(jī)與機(jī)站間通過WiFi通信，當(dāng)發(fā)生緊急情況，如氣象條件變化時，機(jī)站向無人機(jī)發(fā)送回歸指令。無人機(jī)電量是根據(jù)開路電壓法獲得，當(dāng)電量較低，隨之電池電壓也降至最小輸出電壓，無人機(jī)將電量信息調(diào)用發(fā)送至機(jī)站，機(jī)站發(fā)出指令。

無人機(jī)在執(zhí)行巡檢任務(wù)時通過WiFi與無人機(jī)站實時通信，網(wǎng)絡(luò)模式使用無線接入點AP（wireless access point）模式，機(jī)站作為服務(wù)器端，無人機(jī)為客戶端。WiFi通信基于IEEE802.11b協(xié)議，覆蓋半徑可達(dá)100 m，速率快，工作頻率在2.4 GHz頻段[3]，受輸電線路的電磁干擾小。

2.4 數(shù)據(jù)存儲和傳輸功能

在執(zhí)行完巡檢任務(wù)后，無人機(jī)飛回機(jī)站給電池充電以保障下次任務(wù)的續(xù)航；同時，無人機(jī)還要將拍攝的巡檢圖片發(fā)送至機(jī)站存儲，由無人機(jī)站集中統(tǒng)一傳輸至遠(yuǎn)方。在機(jī)站主控模塊上建立文件存儲系統(tǒng)，文件存儲系統(tǒng)包括SD卡驅(qū)動、文件系統(tǒng)、文件應(yīng)用3部分，圖2為無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸工作示意圖。

圖2 無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸工作示意圖

SD卡驅(qū)動是數(shù)據(jù)寫入前至關(guān)重要的一步，使用SD卡統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范，向SD卡發(fā)送初始化、寫指令請求，通過反饋信息來獲取命令執(zhí)行狀態(tài)并以此決定是否進(jìn)行下一步動作[4]。初始化完成后，通過DMA方式傳輸數(shù)據(jù)，并建立FAT16文件系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)。DMA方式為數(shù)據(jù)在外設(shè)和內(nèi)存、內(nèi)存和內(nèi)存之間的高速傳輸提供了一種很好的解決方案，使用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)，不需要CPU的參與，空余出來的CPU資源可以執(zhí)行其他操作，同時DMA傳輸?shù)臅r間較短，給數(shù)據(jù)的處理存儲留下了足夠多的時間，這樣就有效地減少了數(shù)據(jù)丟幀的概率[5]。FAT16文件系統(tǒng)提供了一系列的接口函數(shù)，以實現(xiàn)對文件的各種操作，并方便文件在Windows或Linux系統(tǒng)上訪問。

無人機(jī)將執(zhí)行完巡檢任務(wù)的圖片傳輸給機(jī)站，機(jī)站將數(shù)據(jù)存儲后使用4G模塊，在特定時段統(tǒng)一發(fā)送給遠(yuǎn)方工作人員。針對電力線路巡檢信息傳送，有學(xué)者提出了一種基于4G數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的巡檢系統(tǒng)方案[6]，通過4G技術(shù)實現(xiàn)了音頻、視頻、圖片的有效傳輸，幫助電力巡檢人員及時獲得輸電線路情況。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種智能無人機(jī)站，可應(yīng)用在電力線路巡檢中，為無人機(jī)自主巡檢提供保障，它包含了防水和防塵功能、電源管理功能、無人機(jī)管理功能、通信功能、數(shù)據(jù)存儲傳輸功能。經(jīng)過測試，設(shè)備工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送滿足任務(wù)要求，實現(xiàn)了無人值守，可以推廣至其他領(lǐng)域中使用。