基于四旋翼飛行器的電力巡檢機器人系統的研發

賈相為?鄭文龍?黃于晨?王本有

摘? 要：在電力系統中，由于受各種因素的影響，高壓電線表面、絕緣子串、桿塔、金具、導線掛點等部位會發生老化或損壞，需要不定期地進行線路檢修。在電力巡檢機器人身上裝配了GPS定位模塊，運用機械視覺圖像處理技術和無線傳輸技術，使得巡檢機器人可以發現電力線路中存在的各種問題，能夠做到實時提醒，保障用電安全。經綜合測試分析，該機器人可以自主地完成巡線、拍照自動儲存、障礙物檢測識別以及遠程遙控等任務，有效解決了高壓線路的故障檢測問題。

關鍵詞：四旋翼飛行器;電力巡檢機器人;機械視覺;無線數據傳輸;GPS

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）02-0169-05

Abstract： In the power system， various factors bring perishing or damage to the surface of high-voltage wires， insulator strings， poles and towers， metal fittings， wire hanging points and so on， causing the necessity of circuit maintenance at irregular intervals. The power inspection robot， equipped with GPS （Global Positioning System） positioning module， using mechanical vision image processing technology and wireless transmission technology， the inspection robot can find various problems in power lines， give real- time warnings， and ensure the electricity safety. Comprehensive tests and analyses testify that the robot can independently complete tasks such as inspecting line， automatic photographing and storing， detecting and recognizing obstacles， and remote controlling as well. The problem of fault detection of high voltage line is effectively solved.

Keywords： quadrotor aircraft; power inspection robot; mechanical vision; wireless data transmission; GPS

0? 引? 言

我國地大物博，地形復雜，人口眾多，作為與人們日常生產生活關系最為緊密的主要能源——電力，其在全國的需求十分巨大。國家投入大量資金修建電網，電網線路復雜，遍布全國各地，保證全國各族人民都能安全用電，但在解決人民安全用電的同時也滋生了另一個大問題——電網的維護。高壓電線架設高度一般在25～40米，電力工人在檢修高壓電線時需要在鐵塔之間的輸電線路上行走，這屬于高空作業，帶有一定的危險性。

在電力工人作業風險亟待降低的情境下，電力巡檢機器人應運而生，該機器人主要由機械結構、電子器件和系統軟件三部分組成。機械結構的主要部分是四旋翼飛行器的機身，其整個機身全部采用高硬度、質量輕的碳纖維材料，主要作用是充當主控板、電路模塊、各種傳感器以及蓄電池等的載體。運用機械視覺巡查和無線數據傳輸技術，一定程度上減輕了人工電力巡檢的艱辛，不僅節省了人力成本，而且大大提升了線路巡檢的安全性。因此研發電力巡檢機器人在確保電網安全運行方面是大有裨益，也是非常有必要的。巡檢機器人的控制系統包括硬件系統和軟件系統。

1? 硬件系統

電力巡檢機器人的硬件部分主要包括由主控電路、氣壓傳感器（SPL06）、電子羅盤（AK8975）、慣性傳感器（BMI088）、GPS北斗雙模定位模塊ATK1218-BD構成的定點懸停，由機械視覺（OpenMv）構成的發現異常拍照檢測系統[1]，由無線數據傳輸模塊（NRF24L01）構成的通信系統，以及由ks103超聲波模塊和STM32F103C8T6微控制器構成的自動探測距離系統。硬件系統的整體結構示意圖如圖1所示。

1.1? 主控電路

硬件系統部分主控制器為TM4C13GH6PM單片機，它具有功耗低、接口豐富、控制方便、易于拓展等優點。這一部分電路的主要作用為：控制整個系統的運轉，通過實時采集傳感器數據和STM32F103C8T6微控制器傳輸數據來控制四旋翼飛行姿態，解析OpenMv發送數據，將其位置信息和傳感器工作狀態信息通過無線數據傳輸模塊（NRF24L01）傳送給地面上位機。

1.2? 氣壓傳感器（SPL06）

SPL06是一種高精度、低電流消耗的小型雙氣壓計。SPL06既是溫度傳感器，也是壓力傳感器。壓力傳感器元件基于電容式傳感原理，確保溫度變化時的高精度。SPL06的內部信號處理器可以將壓力和溫度傳感器元件的輸出轉換為24位結果。每個壓力傳感器都已單獨校準并將測量結果轉換為真實的壓力值和溫度值。氣壓傳感器是用于測量氣體絕對壓強的，其主要功能是飛行器用以判斷其當前高度是否正確[2]。

1.3? 電子羅盤（AK8975）

電子羅盤[3-7]是一種重要的導航工具，它能實時提供電力巡檢機器人的姿態和航向。該模塊采用高靈敏度霍爾傳感器技術，通過I2C讀取X、Y、Z軸的磁力計數據，通過解算磁力計數據得出較為可靠的偏航角。但是只通過慣性傳感器（BMI088）解算出來的偏航角、歐拉角并不準確，所以我們需要通過磁力計解算出來的偏航角予以修正，才能得出準確的偏航。

1.4? 慣性傳感器（BMI088）

慣性傳感器是用于檢測和測量加速度、振動、沖擊、傾斜、旋轉和多自由度（Degree of Freedom， DF）運動的一種傳感器。慣性傳感器（BMI088）是一款高性能6軸慣性傳感器，由16位數字三軸±2 000°/s陀螺儀和16位數字三軸±24 g加速度計組成，允許高精度測量方向和沿三個正交軸的運動檢測，可以很好地實現三維的比力和角速率測量，抑制飛行器發生漂移[8]。

1.5? GPS北斗雙模定位模塊

由于是在室外工作，巡檢機器人必須搭載定位模塊，用于測量四旋翼飛行器的飛行速度以及四旋翼飛行器的位置信息[9]。如果巡檢機器人未搭載定位模塊，則其在戶外工作中飛行到一定高度后就無法實現定點懸停，會出現飛行器跑丟的情況。在這里我們使用的定位模塊是GPS北斗雙模定位模塊ATK1218-BD，芯片采用的是S1216芯片，通信協議使用的是NMEA-0183協議，定位精度在2.5 mCEP，數據更新速率最高可達20 Hz，捕獲追蹤靈敏度為-165 dbm，工作溫度在-40 ℃～85 ℃之間，完全能夠經受住高空作業時的環境溫度。此外，其外形小巧、便于搭載、價格便宜，非常符合我們巡檢機器人的設計需求。為防止模塊突然斷電導致星歷數據的丟失，該模塊上裝有小型紐扣電池，如果模塊在掉電半小時以內重新上電，該模塊便可在幾秒內快速實現定位，真正做到了秒定。

1.6? 機械視覺（OpenMv）

機械視覺采用OpenMv，一是因其體積小便于搭載在四旋翼飛行器上，二是因其具有成本低、開發周期短等優點。OpenCv雖然功能強大、像素高，但其開發周期長、體積大不便于搭載在四旋翼飛行器上，因此被舍棄。這里我們使用的是32位處理器的OpenMv4H743II，STM32H743II是一款基于ARMCortex M7內核STM32系列的32位微控制器，主頻高達480 MHz，擁有1 MB RAM（隨機存取存儲器）和2 MBflash（程序存儲器），OpenMv4H743II的像素高達500 W，完全能夠滿足我們的需求。主要利用其顏色及形狀等智能識別算法檢測高壓電線故障問題并進行拍攝和存儲故障照片[10，11]。

1.7? 無線數據傳輸模塊（NRF24L01）

Si24R1是一款工作在2.4～2.5 GHz，世界通用ISM頻段的單片無線收發器芯片。輸出功率頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口實現。是目前2.4 G無線射頻芯片中，性價比較高的一款芯片。

NRF24L01是一款挪威NordicVLSI公司出品的工作在2.4 GHz的國際通用無線數傳芯片。其靈敏度高，發射功率大，并且支持125個通信頻率，是目前市場上主流的2.4 G無線射頻芯片，其功耗低于Si24R1。增強型的Enhanced ShockBurstTM傳輸模式，使得NRF24L01支持6個數據通道，大大提高了數據傳輸效率，此外，NRF24L01還支持250 k、1 Mbps和2 Mbps的數據傳輸速率。使用SPI通信與MCU完成數據信息通信與通信控制等功能。

考慮到巡檢機器人高空作業時的功耗問題，我們選擇NRF24L01作為巡檢機器人的通信模塊。通過此模塊將巡檢機器人的飛行狀態、飛行姿態以及各傳感器采集的數據實時傳送到地面上位機。

1.8? 自動探測距離裝置

該探測裝置的主控使用的是STM32F103C8T6微控制器，它是一款基于ARM Cortex M內核STM32系列的32位微控制器，屬于中等容量單片機，flash容量為64 KB，主頻高達72 MHz。擁有3個高速串口、2個IIC等豐富的外圍設備，完全能夠滿足該裝置對主控的要求。距離的測量使用的是高性能、低功耗超聲波（ks103），該超聲波支持IIC和TTL兩種通信方式，這里使用的是IIC通信，通信速率為50～100 kbit/s，探測速率可達500 Hz，不僅探測速度快而且精度高（精度達1 mm～3 mm）。自帶濾波降噪器，在受到較大噪音干擾時，仍可正常工作。其配置方法也比較簡單，只需向超聲波（ks103）發送指令時序“IIC地址+寄存器2 +0x70/0x71/0x72/0x73/0x74/0x75”即可，發送完成后延時至少2秒，以讓系統自動完成配置。所以該裝置總的工作流程為：STM32F103C8T6微控制器向超聲波（ks103）發送探測指令，超聲波（ks103）收到探測指令后立即開始探測并將探測到的距離數據通過串口發送給STM32F103C8T6微控制器，STM32F103C8T6微控制器再將超聲波（ks103）發送來的數據通過串口發送給TM4C13GH6PM飛控。

2? 軟件系統

軟件系統主要由飛行姿態實時控制功能模塊、圖像處理功能模塊、自動探測距離功能模塊、人機交互界面等4個功能模塊組成。系統總流程圖如圖2所示。

2.1? 飛行姿態實時控制

系統利用慣性傳感器采集飛行姿態參數并傳送給TM4C13GH6PM單片機，采用卡爾曼濾波算法根據氣壓計和羅盤采集的數據，計算得出期望姿態角，然后通過PID控制算法[12]，將期望姿態角轉化為PWM值輸出到電機，從而實現對飛行姿態的實時控制。PID控制算法的輸入e（t）與輸出U（t）的關系為：

單極PID適用于線性系統，四旋翼飛行器輸出的電壓和電機轉速并非呈正比關系，因此四旋翼飛行器不是線性系統，四旋翼飛行器通常被簡化為一個二階阻尼系統。螺旋槳轉速和升力是平方關系，單極PID在四旋翼上很難取得理想效果，因此我們采用串級PID算法。串級PID就是將兩個PID串在一起，分為內環PID和外環PID。我們采用內環PID控制角速度，外環PID控制角度。單極PID輸入的是期望角度，反饋的是角度數據，串級PID中外環輸入的是期望角度，反饋的也是角度數據，內環輸入的是角速度數據，反饋的便是角速度數據。串級PID框圖如圖3所示。

對電機組進行閉環調節，從而實現定點懸停、一鍵起飛定高和降落等指定功能。其核心代碼為：

static void Loop_Task_0（）//1ms執行一次

{ Fc_Sensor_Get（）; //傳感器數據讀取

Sensor_Data_Prepare（1） ;//慣性傳感器數據準備

IMU_Update_Task（1）;//姿態解算更新，如果偏轉關閉電子羅盤，獲取WC_Z加速度

WCZ_Acc_Get_Task（）;

WCXY_Acc_Get_Task（）;

ANO_DT_Data_Exchange（）; //數傳數據交換

}

static void Loop_Task_1（u32 dT_us） //2ms執行一次

{float t1_dT_s;

t1_dT_s = （float）dT_us *1e-6f;

Att_1level_Ctrl（2*1e-3f）; //姿態角速度環控制

Motor_Ctrl_Task（2）; //電機輸出控制

}

static void Loop_Task_2（u32 dT_us） //6ms執行一次

{float t2_dT_s;

t2_dT_s = （float）dT_us *1e-6f;

calculate_RPY（）;//獲取姿態角（ROLL PITCH YAW）

User_my_yaw_2level（6，line）; //尋線YAW（航向角）修正

Att_2level_Ctrl（6e-3f，CH_N）; //姿態角度環控制

}

static void Loop_Task_5（u32 dT_us）//11ms執行一次

{

float t2_dT_s = （float）dT_us *1e-6f;//0.008f

WCZ_Fus_Task（11）; //高度數據融合任務

GPS_Data_Processing_Task（11）;

Alt_1level_Ctrl（11e-3f）; //高度速度環控制

Alt_2level_Ctrl（11e-3f）; //高度環控制

AnoOF_DataAnl_Task（11）;

}

2.2? 圖像處理功能

使用OpenMv自帶顏色和形狀識別算法對巡檢電線進行拍攝分析，如果識別到異常，OpenMv會向巡檢機器人發送異常信息，巡檢機器人接收到異常信息后會立即向OpenMv發送拍照指令，OpenMv拍完照片后會自動保存。該部分流程圖如圖4所示。

2.3? 自動探測距離功能

STM32F103C8T6微控制器通過IIC通信向ks103超聲波發送探測指令，超聲波（ks103）接收到指令后開始探測，并將探測到的距離通過串口發送給STM32F103C8T6微控制器，最終STM32F103C8T6微控制器再將自己接收到的距離信息通過串口發送給TM4C13GH6PM微控制器。該部分流程圖如圖5所示。

2.4? 人機交互

將處理器中的傳感器數據、蓄電池電壓以及飛行器的飛行狀態等信息通過無線數據傳輸模塊（NRF24L01）實時發送到上位機進行顯示。通過上位機也可以實時控制飛行器的飛行狀態以及使飛行器緊急降落。

3? 測試與實驗

從三個方面對飛行器工作性能進行測試及結果分析：

（1）飛行器定高巡航測試。通過設定高度，利用卷尺測量，飛行器自動測量數據并發送到上位機PC上，一鍵起飛定高后，飛行器到達設定高度后自動懸停，然后使用卷尺測量巡航高度，飛行器的巡航高度測試結果如表1所示。

（2）巡航測試。設置障礙物6處、電線破損3處、接點老化變色3處、經多次測試，識別率達100%，能及時拍照、保存并轉發到上位機PC上。

（3）巡檢過程中巡檢機器人與電線的安全距離測試。安全距離設置為45 cm，測試過程中通過人為移動電線來模擬實際工作中電線角度的變化，利用卷尺測量，飛行器上搭載的自動探測距離裝置將探測到的距離數據發送到上位機PC上，巡檢過程中安全距離測試結果如表2所示。

測試結果分析：一鍵起飛定高巡航測試能夠準確完成，誤差較小，但模擬環境較簡單，實際測試環境下還要進一步優化。

4? 結? 論

使用者只需將該智能電力巡檢機器人放到需要巡檢的高壓電線下，接通電源并解鎖，該機器人即可開始巡檢工作，其在檢測到異常情況時會自動拍照并存儲，整個過程不需要人為干預，使用者可在距離其2千米以內的地方通過上位機進行實時監控。經實際測試，該機器人運行狀態良好，可以自主完成巡線、拍照自動儲存、障礙物檢測識別等功能。不僅提高了巡檢效率，而且降低了巡檢成本，同時電力工人的安全也得到一定的保障。我國是一個電力大國，該巡檢機器人對于改變我國人工電力巡檢工作具有重大的現實意義。

參考文獻：

[1] 李力.旋翼飛行機器人視覺定位方法及電力巡線應用研究 [D].長沙：湖南大學，2016.

[2] 河海大學.一種基于多氣壓傳感器定高的小型飛行器：CN206671893U [P].2017-03-21.

[3] 彭樹生.數字電子羅盤HMR3000的特性及應用 [J].電子技術，2004（8）：39-43.

[4] 求是科技.單片機典型模塊設計實例導航 [M].北京：人民郵電出版社，2004：176-189.

[5] 陳皓生，徐軍，李疆.HMR3000數字羅盤在微型飛行器中的應用 [J].傳感器技術，2001（9）：44-46.

[6] 張穎.基于高級語言的HMR3000模塊接口編程 [J].兵工自動化，2002（4）：41-43.

[7] 趙毅強，管大年，陳豪敏.電子羅盤在精確定位平臺中的應用 [J].傳感技術學報，2005（1）：140-142.

[8] 曾唯.微型慣性傳感器應用于飛行器模型姿態測試的研究 [D].廈門：廈門大學，2007.

[9] 朱振乾，張建洲.GPS和慣導信息在飛行器制導中的綜合應用 [J].航天控制，1996（2）：1-9.

[10] 周士超.無人機電力巡檢視覺避障技術研究 [D].北京：北京理工大學，2016.

[11] 劉俍.輸電線路巡檢中的電力線追蹤算法研究與工程應用 [D].濟南：山東大學，2013.

[12] 宿敬亞，樊鵬輝，蔡開元.四旋翼飛行器的非線性PID姿態控制 [J].北京航空航天大學學報，2011，37（9）：1054-1058.

作者簡介：賈相為（1999—），男，漢族，安徽阜陽人，本科在讀，研究方向：智能控制;鄭文龍（2000—），男，漢族，安徽合肥人，本科在讀，研究方向：智能控制;黃于晨（2002—），女，漢族，安徽淮南人，本科在讀，研究方向：智能控制;通訊作者：王本有（1970—），男，漢族，安徽六安人，副教授，碩士，研究方向：機器人與智能控制應用。