孟祥萍 寇 磊 苑全德 皮玉珍

(長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院1，吉林 長春 130012；東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院2，吉林 吉林 132012)

GPS/INS組合導(dǎo)航在輸電線路巡檢中的應(yīng)用

孟祥萍1寇 磊2苑全德1皮玉珍1

(長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院1，吉林 長春 130012；東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院2，吉林 吉林 132012)

針對輸電線路常規(guī)人工巡檢耗費(fèi)時間、人力成本增加的問題，采用無人機(jī)作為載體，減少了時間及人力成本。無人機(jī)使用地面站軟件配合GPS/INS進(jìn)行預(yù)設(shè)巡檢路線，并能在巡檢過程中進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。提出了基于卡爾曼濾波器和雙閉環(huán)PID控制相結(jié)合的方法，以卡爾曼濾波器抑制噪聲干擾；在雙閉環(huán)控制中，采用內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)速率、外環(huán)控制無人機(jī)姿態(tài)，從而有效防止了因無人機(jī)抖動導(dǎo)致的飛行失控，完成了常規(guī)巡檢工作。

GPS/INS 嵌入式技術(shù) 電力系統(tǒng) 無人機(jī) 實(shí)時監(jiān)測 卡爾曼濾波器 PID 巡檢

0 引言

在大部分山區(qū)、高原及環(huán)境惡劣的地方，輸電線路巡檢工作依靠人工完成，費(fèi)時費(fèi)力，同時還很難發(fā)現(xiàn)事故的隱患。無人機(jī)以其低成本、高效率、省時省力以及不受地形環(huán)境限制的特點(diǎn)，正逐漸在電力巡檢方面代替人力[1]。

近年來，隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，采用無人機(jī)作為載體來完成輸電線巡檢已成為可能。飛行控制技術(shù)是無人機(jī)的核心部分，其實(shí)現(xiàn)了對無人機(jī)整個飛行過程的控制，完成了傳輸數(shù)據(jù)、實(shí)時控制等功能。無人機(jī)使用GPS/INS組合導(dǎo)航方式，GPS導(dǎo)航可以為INS導(dǎo)航提供實(shí)時的數(shù)據(jù)刷新，防止無人機(jī)偏離方向。無人機(jī)采用NuttX操作系統(tǒng)，其具有實(shí)時性、高可靠性、標(biāo)準(zhǔn)兼容性、小型封裝以及從8位到32位微控制器的高度可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，可以成為無人機(jī)的控制操作系統(tǒng)部分，使無人機(jī)的飛行控制具備硬實(shí)時性、高精度、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。

在無人機(jī)的控制算法中，數(shù)字PID控制被普遍采用。本文采用卡爾曼濾波器與雙閉環(huán)PID控制算法相結(jié)合的方法，控制時間短，沒有出現(xiàn)超調(diào)和波動現(xiàn)象，提高了無人機(jī)抗干擾以及防抖動的能力，可以有效提高巡檢作業(yè)的效率和質(zhì)量，很好地提升了電力行業(yè)生產(chǎn)自動化水平和能力，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 無人機(jī)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外無人機(jī)目前主要應(yīng)用于軍事方面，民用無人機(jī)還處于初級階段，可開發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣闊。

在民用方面，無人機(jī)在地圖測繪、地質(zhì)勘測、災(zāi)害監(jiān)測、氣象探測、空中交通管制、邊境控制、通信中繼、農(nóng)藥噴灑等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用得到了不斷的發(fā)展和進(jìn)步。各領(lǐng)域的作業(yè)要求不同，如進(jìn)行國土測繪與對海洋、高壓線路、災(zāi)情及氣象等進(jìn)行監(jiān)測，因此對無人機(jī)技術(shù)的要求是不一樣的。無人機(jī)在海洋區(qū)域監(jiān)測需要的抗風(fēng)能力要高于高山地區(qū)；氣象監(jiān)測要求無人機(jī)進(jìn)到臺風(fēng)眼中還要能夠安全返回；對災(zāi)情進(jìn)行監(jiān)測回傳的遙感信息圖像只需要能夠看清地面的所有物品就行了；而監(jiān)測輸電線路就必須能夠看清線上的細(xì)節(jié)。國內(nèi)的民用無人機(jī)當(dāng)前應(yīng)用比較多的還是低空遙感測繪無人機(jī)，以其被列入國家測繪局十二五規(guī)劃而推進(jìn)、推廣力度加大。

隨著電力系統(tǒng)等級的不斷提高，巡檢范圍不斷擴(kuò)大。此外，還有一些地形復(fù)雜地區(qū)的巡檢任務(wù)難以即時發(fā)現(xiàn)，輸電線路巡檢的成本不斷提高，依靠人力完成巡檢已經(jīng)不再是一種明智的選擇。隨著無人機(jī)續(xù)航時間和抗風(fēng)能力的增強(qiáng)，且具有搭載光學(xué)任務(wù)系統(tǒng)吊艙的能力[2]，為輸電線路巡檢提供了新的有效解決方案。和人工巡檢相比，無人機(jī)巡檢具有巡檢時間短、質(zhì)量高、成本低、風(fēng)險低和機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)。

飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的核心[3]，文獻(xiàn)[3]中提到了很多關(guān)于無人機(jī)控制的經(jīng)典算法，其中包括反步控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等。反步控制系統(tǒng)應(yīng)用于無人機(jī)控制，具有穩(wěn)定性較高、誤差收斂速度快的優(yōu)點(diǎn)，但其魯棒性以及作動器的速率和位置飽和問題依然存在?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制的響應(yīng)快，但是當(dāng)狀態(tài)軌跡到達(dá)滑模面后，很難沿著滑膜面向平衡點(diǎn)移動，只是在滑模面兩側(cè)來回穿越，會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象，導(dǎo)致無人機(jī)失控甚至墜毀。基于以上兩種算法的問題，提出了卡爾曼濾波器與雙閉環(huán)PID控制算法相結(jié)合的方法，卡爾曼濾波器[4]很好地抑制了噪聲干擾，結(jié)合內(nèi)環(huán)控制飛行速度，外環(huán)控制飛行姿態(tài)的雙閉環(huán)控制[5]方法，控制過渡時間短，沒有出現(xiàn)超調(diào)和波動現(xiàn)象，有效地防止了無人機(jī)的抖動，抗干擾能力增強(qiáng)，具有很好的自適應(yīng)能力。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

無人機(jī)巡檢系統(tǒng)由無人機(jī)、遙控器、通信設(shè)備、機(jī)載設(shè)備和地面站五部分組成。對于無人機(jī)而言，其電路構(gòu)架要簡單，且需具備體積小、質(zhì)量輕、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、重心平衡、模塊化設(shè)計以及可升級、擴(kuò)展方便等特點(diǎn)。在進(jìn)行設(shè)計的時候，需要綜合考慮這些特性，以滿足總體的優(yōu)化設(shè)計。硬件系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

Fig.1 Block diagram of hardware system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 內(nèi)核系統(tǒng)移植

NuttX是一個實(shí)時操作系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)兼容和小型封裝，主要遵循Posix和ANSI標(biāo)準(zhǔn)，對于這些標(biāo)準(zhǔn)下不支持的功能，采用來自unix和常見RTOS(如VxWorks)的額外標(biāo)準(zhǔn)API。NuttX可以構(gòu)建為開放的、平面的嵌入式RTOS，或者單獨(dú)構(gòu)建為具有系統(tǒng)調(diào)用接口的微內(nèi)核。NuxttX編譯環(huán)境可以選擇windows平臺，也可以選擇linux平臺。這里選擇的是linux平臺，操作系統(tǒng)采用Ubuntu12.04。

安裝交叉編譯器，下載gcc-arm-none-eabi-4_8-2014q3-20140805-linux.tar.bz2，解壓到/opt/px4目錄下；設(shè)置環(huán)境變量，在/etc/profile文件的后面加入export PATH=$PATH:/opt/px4/gcc-arm-none-eabi-4_8-2014q3/bin，重啟后即可永久生效。

然后下載NuttX內(nèi)核源碼，NuttX的配置系統(tǒng)由Kconfig、Makefile和配置工具組成。內(nèi)核的Makefile分為最頂層的Makefile、內(nèi)核的當(dāng)前配置文檔.config、體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的Makefile、一些Makefile的通用規(guī)則和kbuild Makefile。NuttX的主Kconfig文件是nuttx/Kconfig，然后調(diào)用各目錄下的Kconfig。 nuttx/.config是預(yù)設(shè)的.config文件，從nuttx/config/<板卡>/<目標(biāo)配置>/defconfig復(fù)制而來。 nuttx/Make.defs從nuttx/config/<板卡>/<目標(biāo)配置>/Make.defs復(fù)制而來。在nuttx目錄下執(zhí)行make menuconfig命令，讀取預(yù)設(shè)的.config文件，調(diào)出基于文本菜單的配置界面。根據(jù)自己的需求進(jìn)行定制，這里選擇的構(gòu)建環(huán)境是linux、處理器為STM32，同時，選擇支持的外設(shè)(如I2C，UART等)，并配置設(shè)備驅(qū)動和應(yīng)用程序選項(xiàng)(如NuttShell的支持)等。退出時，選擇YES保存，即生成新的.config文件。執(zhí)行make后，可生成NuttX內(nèi)核文件和NuttX的應(yīng)用程序。

3.2 地面站軟件開發(fā)

在開發(fā)地面站軟件時，選擇的是Qt4.8.5。這是一個跨平臺的C++圖形用戶界面的應(yīng)用程序框架。Qt的良好封裝機(jī)制使得Qt的模塊化程度非常高，可重用性好，有豐富的API。地面站軟件與無人機(jī)通信采用的是無線串口通信方式。

選擇串口，設(shè)置波特率，按打開串口進(jìn)行連接，就可以使飛控和計算機(jī)進(jìn)行連接，通過地面站軟件可以對無人機(jī)進(jìn)行參數(shù)預(yù)設(shè)，如PID參數(shù)、飛行高度等，設(shè)置巡檢路線，顯示無人機(jī)通過攝像頭采集的圖像信息。

4 無人機(jī)巡檢

4.1 飛行姿態(tài)與速度控制

在無人機(jī)的控制過程中，通過陀螺儀、加速度計、電子羅盤傳感器來獲得無人機(jī)的位姿[6]和速度，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)PID控制[7-8]，并進(jìn)行卡爾曼濾波器抑制噪聲干擾，使無人機(jī)更快、更穩(wěn)地接近預(yù)定的航向。在現(xiàn)代隨機(jī)最優(yōu)控制和隨機(jī)信號處理技術(shù)中，信號和噪聲通常是多維的非平穩(wěn)隨機(jī)過程。因此，在無人機(jī)的控制過程中，采用卡爾曼濾波器對信號進(jìn)行濾波處理。

對于離散域線性系統(tǒng)[9-10]，有：

(1)

式中:w(k)為控制過程中的噪聲信號;v(k)為測量噪聲信號。

離散卡爾曼濾波器遞推算法為:

(2)

P(k)=AP(k-1)AT+BQBT

(3)

P(k)=[In-Mn(k)C]P(k)

(4)

x(k)=Ax(k-1)+ Mn(k)x[yv(k)-CAx(k-1)]

(5)

ye(k)=Cx(k)

(6)

采用卡爾曼濾波器的閉環(huán)PID控制，如圖2所示。

圖2 PID 控制系統(tǒng)框圖

Fig.2 Block diagram of PID control system

被控對象的二階傳遞函數(shù)為：

(7)

仿真對照如圖3所示。由圖3可知，通過采用雙閉環(huán)PID控制與卡爾曼濾波器結(jié)合[11]，收斂速度快，提高了無人機(jī)的抗干擾能力，使無人機(jī)能很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

采用四旋翼無人機(jī)，在電機(jī)1和電機(jī)3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機(jī)2和電機(jī)4順時針旋轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)飛行器平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。無人機(jī)飛行狀態(tài)如圖4所示。

圖3 仿真對照圖

Fig.3 Contrast of simulation

圖4 飛行狀態(tài)圖

Fig.4 Diagram of flight state

在圖4中，電機(jī)1和電機(jī)3為逆時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4為順時針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿X軸正方向?yàn)橄蚯斑\(yùn)動，箭頭沿Z軸向上表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，向Z軸下方表示該電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

(8)

①垂直運(yùn)動：在圖4(a)中，當(dāng)公式(8)中的所有Δv>0時，得到總的向上的升力足以用來克服機(jī)身的重力時，便可以垂直上升；當(dāng)Δv<0時，則垂直下降，直到平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿Z軸的垂直運(yùn)動。當(dāng)外界擾動量為零時，產(chǎn)生升力與飛行器的重力平衡時，可以保持懸停狀態(tài)。

②俯仰運(yùn)動：在圖4(b)中，當(dāng)式(8)中的Δv1>0、Δv3<0、|Δv1|=|Δv3|、Δv2=Δv4=0時，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞Y軸旋轉(zhuǎn)；同理，當(dāng)Δv1<0、Δv3>0、|Δv1|=|Δv3|、Δv2=Δv4=0時,機(jī)身便繞Y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動。

③滾轉(zhuǎn)運(yùn)動：在圖4(c)中，當(dāng)公式(8)中的Δv2>0、Δv4<0、|Δv2|=|Δv4|、Δv1=Δv3=0時，可使機(jī)身繞X軸方向旋轉(zhuǎn)；同理，當(dāng)Δv2<0、Δv4>0、|Δv2|=|Δv4|、 Δv1=Δv3=0時，便繞X軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。

④偏航運(yùn)動：在圖4(d)中，當(dāng)公式(8)中的Δv1>0、Δv3>0、Δv2<0、Δv4<0時,旋翼1和旋翼3對機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞Z軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動。

4.2 巡檢方式

無人機(jī)巡檢一般采用在巡檢線路位置的斜上方，沿著預(yù)定巡檢方向飛行，具體飛行路徑大致如圖5所示。

圖5 飛行方式圖

Fig.5 Diagram of flight mode

通過地面基站軟件設(shè)置巡檢路線，可以設(shè)置飛機(jī)定高，依次飛過各巡檢點(diǎn)，并返航起飛點(diǎn)。依靠無人機(jī)的羅盤和GPS功能，配合離線地圖來完成巡檢路線的設(shè)定。巡檢工作人員通過地面基站軟件，觀測無人機(jī)攝像頭采集的輸電線路的實(shí)時圖像來完成線路的巡檢。當(dāng)出現(xiàn)意外情況，如電池能量不夠時，可以通過地面基站軟件控制無人機(jī)的飛行，并隨時改變巡檢路線。

5 結(jié)束語

以無人機(jī)代替人工來完成輸電線路巡檢，不僅減

少了勞動力，降低了巡檢成本，還使巡檢過程更加優(yōu)化。無人機(jī)采用實(shí)時、可靠的嵌入式操作系統(tǒng)，配合地面站軟件，使巡檢人員可以實(shí)時控制無人機(jī)，制定有效的巡檢方式。通過機(jī)載攝像頭，在地面站軟件上顯示出輸電線路的影像，可及時發(fā)現(xiàn)輸電線路存在的隱患及問題。通過采用GPS/INS組合導(dǎo)航方式，避免了無人機(jī)偏離軌跡的情況。通過采用基于卡爾曼濾波器的雙閉環(huán)PID控制方式，使無人機(jī)更快、更穩(wěn)定地進(jìn)入預(yù)定的飛行模式，提升了抗干擾能力，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效地提高了系統(tǒng)的精度和自適應(yīng)能力。

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Application of GPS/INS Integrated Navigation in Inspection of Transmission Line

The inspection of transmission lines using manpower is time-consuming and increasing labor costs; while using unmanned aerial vehicle (UAV) as the carrier may reduce time consumption and manpower costs. With help of ground station software and GPS/INS, the inspection route is preset; and real time monitoring can be carried out during inspection process. The method based on combination of Kalman filter and dual closed loop PID control is proposed. Kalman filter is used to suppress noise interference; the inner closed loop of the dual closed loop control is used to regulate the speed, and the outer loop is used to control attitude of UAV; thus the flight out of control caused by shaking of UAV might be avoided, for achieving the inspection perfectly.

GPS/INS Embedded technology Power system UAV Real time monitoring Kalman filter PID Inspection

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究基金資助項(xiàng)目(編號：2014324)；

吉林省科技發(fā)展計劃基金資助項(xiàng)目(編號：No20150203002SF)；

長春市科技計劃基金資助項(xiàng)目(編號：14KG026)。

孟祥萍(1961—)，女，2001年畢業(yè)于東北大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事智能控制理論及應(yīng)用、電力系統(tǒng)安全性優(yōu)化應(yīng)用等研究。

TH6;TP3

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612014

修改稿收到日期： 2016-05-06。