电力巡检无人机的开发

彭惠芹,程 栋,白昱哲,崔何瑞

(山西大同大学,山西 大同 037003)

0 引言

无人机电力巡检可解决人工作业劳动强度大、劳动效率低等问题,其优势在于作业准确性高及对周边环境适应性强,无人机巡线比人工巡线质量及效率高,能有效降低检测成本,及时发现缺陷,提升检测作业的安全性,从而提高线路管理与维护水平。无人机巡检是一种先进、科学、高效的电力巡线方式[1]。本研究设计了一款基于四旋翼飞行器的电力巡线机器人,运用多种控制方式搭建一个具有GPS导航和人为规划路线功能的无人机,实现对指定巡检电力线路及杆塔状态的实时巡检,根据巡检计划实施巡线,拍摄并存储所发现的异常情况,将其传送到地面显示装置上。无人机部分包括起飞、降落、定高、循迹及飞行方式的调试,巡检巡线控制由色块识别与GPS导航电路组成。无人机利用陀螺仪检测飞行偏角,用A/D转换构成闭环,采用PID算法,通过PWM驱动电路控制无人机转速,实现正常飞行。利用KEIL MDK5对飞行轨迹及飞行状态进行相关程序的编辑轨迹,巡线控制则用Open MV摄像头实现色块识别,以GPIO 口输出低电频的方式控制GPS定位。主要研究内容包括无人机的制作、GPS的程序设计及遥控方式的实现,如无人机机械结构的设计及制作、电路设计及相关控制程序设计等。

1 模块方案与选择

1.1 无人机结构组成

无人机由MSP 432控制器、OPEN MV 摄像头、传感器系统、数据传输系统、飞行控制系统及显示系统构成,系统结构见图1。性能高和功耗低是MSP 432的显著特点,具有高集成度,内核ARMMF的Core mark达到3.41/MHz,外围优化非常友好。传感器系统包括用于空间定位的光流传感器、高度传感器、气压计、加速度计、电子罗盘及用于角运动检测的陀螺仪及管理飞行航向与姿态的磁力计。OPEN MV 摄像头通过摄像头和数据传输系统与MSP 432控制器进行控制与连接。飞行控制系统包含电子调速器和无刷电机两部分。

图1 系统结构Fig.1 System organization

1.2 视觉系统的论证与选择

方案一:采用OPEN CV,内含开源视觉库,不包括硬件,需额外配置摄像头。

方案二:采用OPEN MV,硬件与软件搭配摄像头小型模块,含有内置例程,便于学习与操作。

综上,选择方案二。

1.3 控制系统的论证与选择

方案一:PID算法控制。PID算法的精髓是运用比例函数、微积分等函数关系进行运算,作为输出控制的参数依赖于PID算法的最终运算结果,具有算法简单及控制精度高的优点,以PID算法作为本系统的控制满足精确要求,节约了运算时间及单片机资源[2]。

方案二:模糊控制算法控制。该算法的优点是不需要事先构建对象的数学模型。系统具有超调量小、响应快、过渡过程时间短等优点,但需要处理的数据量大,增加了编程复杂程度。

综上,选择方案一。

1.4 轨迹编辑

方案一:利用Vscode,具有配置人性化、插件生态丰富、shortcuts功能、编辑效率高等优点,但插件安装多,导致内存增加。

方案二:利用KEIL MDK5,其对运行环境要求较低,体现在器件(Software Packs)与编译器(MDK core)分离。

综上,选择方案二。

2 理论分析与计算

2.1 系统结构分析

四翼无人机负载后需要平稳运行,需控制无人机的升力,而升力由无人机的电机转速及机翼翼展长度决定。为了使无人机正常飞行,需对电机马力和配对翼展进行计算,带动巡线机构按照预定轨迹前进,以实现目标任务。

建立惯性坐标系和体坐标系,运用欧拉-拉格朗日法等方法对四旋翼飞行器进行数学建模,必要的参数计算如下:

则有:

化简得微分方程:

得飞行器的拉格朗日型数学模型:

式中,u1—标量,是四旋翼螺旋桨转动时产生的向上推力的总和。

2.2 电路程序设计

无人机利用KEIL MDK5对飞行轨迹及飞行状态进行相关程序的编辑轨迹。图2为无人机工作流程。无人机起飞高度设定在150 cm,当巡航识别到目标A时,无人机灯光闪烁提示识别目标A,按指定路线行进;其间拍摄并存储发现的异常情况,传送到地面显示装置上。当识别到边界线时调整路线继续前行,直至识别到物块B,无人机停止灯光闪烁并按指定路线行至终点,无人机降落停机。此程序可依据人工规划路线调整巡线环节及目标。

图2 无人机工作流程Fig.2 Drone workflow

3 测试方案及测试结果

3.1 测试方案

测试重点在于无人机起降、定点悬停、自主避障及对目标的自动识别测试能力[4],测试场地:①作业起始区:蓝色空心圈为无人机起降区,飞行器在“十”字起降点垂直起飞,升空至150±10 cm巡航高度。②二维码所在区:在作业区放置一只高度为150 cm、直径3.5±0.5 cm的红色杆塔,杆塔上套有圆环形条形码。③预定巡航路线:灰色直线为预定路线。④飞行器用启闭可控、垂直向下安装的激光笔闪烁光点表示巡航动作路线。根据预定轨迹运行,激光笔按计算速度于相应区域即时闪烁,遇到二维码杆时自动避障。

3.2 测试结果与分析

数字为激光闪烁次数,巡检运行基本符合任务所需,偶尔出现不符合实验预期的结果,预期偏差较小。飞行参数经过多次测试及调整得出了比较满意的数据。表1为飞行器飞行测试的PID数据,由表1可见,无人机控制性能良好,采用PID算法控制器能够提供更强的鲁棒性及更高的跟踪准确性[2]。

表1 四旋翼飞行器实际飞行的PID数据

4 结束语

电力巡线机器人的开发解决了人工作业劳动强度大、劳动效率低等问题,作业准确性高,对周边环境适应性强,能有效降低检测成本,及时发现缺陷,提升检测作业的安全性,从而提高线路管理及维护水平。