電力巡檢無人機的開發

彭惠芹,程 棟,白昱哲,崔何瑞

(山西大同大學,山西 大同 037003)

0 引言

無人機電力巡檢可解決人工作業勞動強度大、勞動效率低等問題,其優勢在于作業準確性高及對周邊環境適應性強,無人機巡線比人工巡線質量及效率高,能有效降低檢測成本,及時發現缺陷,提升檢測作業的安全性,從而提高線路管理與維護水平。無人機巡檢是一種先進、科學、高效的電力巡線方式[1]。本研究設計了一款基于四旋翼飛行器的電力巡線機器人,運用多種控制方式搭建一個具有GPS導航和人為規劃路線功能的無人機,實現對指定巡檢電力線路及桿塔狀態的實時巡檢,根據巡檢計劃實施巡線,拍攝并存儲所發現的異常情況,將其傳送到地面顯示裝置上。無人機部分包括起飛、降落、定高、循跡及飛行方式的調試,巡檢巡線控制由色塊識別與GPS導航電路組成。無人機利用陀螺儀檢測飛行偏角,用A/D轉換構成閉環,采用PID算法,通過PWM驅動電路控制無人機轉速,實現正常飛行。利用KEIL MDK5對飛行軌跡及飛行狀態進行相關程序的編輯軌跡,巡線控制則用Open MV攝像頭實現色塊識別,以GPIO 口輸出低電頻的方式控制GPS定位。主要研究內容包括無人機的制作、GPS的程序設計及遙控方式的實現,如無人機機械結構的設計及制作、電路設計及相關控制程序設計等。

1 模塊方案與選擇

1.1 無人機結構組成

無人機由MSP 432控制器、OPEN MV 攝像頭、傳感器系統、數據傳輸系統、飛行控制系統及顯示系統構成,系統結構見圖1。性能高和功耗低是MSP 432的顯著特點,具有高集成度,內核ARMMF的Core mark達到3.41/MHz,外圍優化非常友好。傳感器系統包括用于空間定位的光流傳感器、高度傳感器、氣壓計、加速度計、電子羅盤及用于角運動檢測的陀螺儀及管理飛行航向與姿態的磁力計。OPEN MV 攝像頭通過攝像頭和數據傳輸系統與MSP 432控制器進行控制與連接。飛行控制系統包含電子調速器和無刷電機兩部分。

圖1 系統結構Fig.1 System organization

1.2 視覺系統的論證與選擇

方案一:采用OPEN CV,內含開源視覺庫,不包括硬件,需額外配置攝像頭。

方案二:采用OPEN MV,硬件與軟件搭配攝像頭小型模塊,含有內置例程,便于學習與操作。

綜上,選擇方案二。

1.3 控制系統的論證與選擇

方案一:PID算法控制。PID算法的精髓是運用比例函數、微積分等函數關系進行運算,作為輸出控制的參數依賴于PID算法的最終運算結果,具有算法簡單及控制精度高的優點,以PID算法作為本系統的控制滿足精確要求,節約了運算時間及單片機資源[2]。

方案二:模糊控制算法控制。該算法的優點是不需要事先構建對象的數學模型。系統具有超調量小、響應快、過渡過程時間短等優點,但需要處理的數據量大,增加了編程復雜程度。

綜上,選擇方案一。

1.4 軌跡編輯

方案一:利用Vscode,具有配置人性化、插件生態豐富、shortcuts功能、編輯效率高等優點,但插件安裝多,導致內存增加。

方案二:利用KEIL MDK5,其對運行環境要求較低,體現在器件(Software Packs)與編譯器(MDK core)分離。

綜上,選擇方案二。

2 理論分析與計算

2.1 系統結構分析

四翼無人機負載后需要平穩運行,需控制無人機的升力,而升力由無人機的電機轉速及機翼翼展長度決定。為了使無人機正常飛行,需對電機馬力和配對翼展進行計算,帶動巡線機構按照預定軌跡前進,以實現目標任務。

建立慣性坐標系和體坐標系,運用歐拉-拉格朗日法等方法對四旋翼飛行器進行數學建模,必要的參數計算如下:

則有:

化簡得微分方程:

得飛行器的拉格朗日型數學模型:

式中,u1—標量,是四旋翼螺旋槳轉動時產生的向上推力的總和。

2.2 電路程序設計

無人機利用KEIL MDK5對飛行軌跡及飛行狀態進行相關程序的編輯軌跡。圖2為無人機工作流程。無人機起飛高度設定在150 cm,當巡航識別到目標A時,無人機燈光閃爍提示識別目標A,按指定路線行進;其間拍攝并存儲發現的異常情況,傳送到地面顯示裝置上。當識別到邊界線時調整路線繼續前行,直至識別到物塊B,無人機停止燈光閃爍并按指定路線行至終點,無人機降落停機。此程序可依據人工規劃路線調整巡線環節及目標。

圖2 無人機工作流程Fig.2 Drone workflow

3 測試方案及測試結果

3.1 測試方案

測試重點在于無人機起降、定點懸停、自主避障及對目標的自動識別測試能力[4],測試場地:①作業起始區:藍色空心圈為無人機起降區,飛行器在“十”字起降點垂直起飛,升空至150±10 cm巡航高度。②二維碼所在區:在作業區放置一只高度為150 cm、直徑3.5±0.5 cm的紅色桿塔,桿塔上套有圓環形條形碼。③預定巡航路線:灰色直線為預定路線。④飛行器用啟閉可控、垂直向下安裝的激光筆閃爍光點表示巡航動作路線。根據預定軌跡運行,激光筆按計算速度于相應區域即時閃爍,遇到二維碼桿時自動避障。

3.2 測試結果與分析

數字為激光閃爍次數,巡檢運行基本符合任務所需,偶爾出現不符合實驗預期的結果,預期偏差較小。飛行參數經過多次測試及調整得出了比較滿意的數據。表1為飛行器飛行測試的PID數據,由表1可見,無人機控制性能良好,采用PID算法控制器能夠提供更強的魯棒性及更高的跟蹤準確性[2]。

表1 四旋翼飛行器實際飛行的PID數據

4 結束語

電力巡線機器人的開發解決了人工作業勞動強度大、勞動效率低等問題,作業準確性高,對周邊環境適應性強,能有效降低檢測成本,及時發現缺陷,提升檢測作業的安全性,從而提高線路管理及維護水平。