陳 露，王冠凌，郁書好，毛 赫

（1.安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.皖西學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，安徽 六安 237000）

城市燃?xì)夤艿劳挪荚诔鞘腥丝诿芗膮^(qū)域，如果泄露將會(huì)造成不可挽回的人員傷害和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，需要管道檢測(cè)機(jī)器人定期地對(duì)管道泄漏區(qū)域進(jìn)行定位、檢測(cè)和評(píng)估.本文將無人機(jī)技術(shù)和紅外檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合提出一種新型的無人機(jī)管道檢測(cè)機(jī)器人，能輕松有效地完成管道巡檢任務(wù).可保障城市管道安全性，減少事故發(fā)生概率，延長(zhǎng)管道網(wǎng)絡(luò)的服役期，從而可以帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益.

1 四旋翼飛行器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器在結(jié)構(gòu)上主要包括提供動(dòng)力的螺旋槳部分、控制飛行器的主控板部分及搭載平臺(tái)三個(gè)部分.將小型電機(jī)和螺旋槳固定在搭載平臺(tái)的末端,呈十字型或X型.螺旋槳是由兩對(duì)正反槳組成.小型電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)來為整個(gè)飛行器提供動(dòng)力.飛行器主控板通過強(qiáng)力膠固定在機(jī)架的正中心,主控板的功能是對(duì)四軸飛行器姿態(tài)信息的采集處理及姿態(tài)控制,搭載平臺(tái)材質(zhì)選用穩(wěn)固密度小的碳纖機(jī)架，機(jī)架的良好材質(zhì)以保證四旋翼飛行器的飛行.

圖1 四旋翼飛行器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

四軸飛行器的螺旋槳由兩對(duì)正反槳組成,每個(gè)螺旋槳接一個(gè)8050空心杯電機(jī),主控板通過分析接收到的姿態(tài)信息輸出占空比不同的PWM脈沖波.通過PWM脈沖波來控制空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，從而控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向來讓四旋翼飛行器進(jìn)行前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎等.市面上的四旋翼飛行器的硬件結(jié)構(gòu)可分為‘十’字型和‘X’字型.其結(jié)構(gòu)圖如圖2示.

圖2 四旋翼飛行器的物理結(jié)構(gòu)

1.1 飛行器主控電路

四旋翼飛行器的主控板相當(dāng)于是飛行器的神經(jīng)中樞，其功能是接收分析處理姿態(tài)信息傳感器采集的數(shù)據(jù).人們從地面發(fā)送遙控信號(hào)，主控板接收該信號(hào)并對(duì)飛行器的飛行姿態(tài)信息進(jìn)行計(jì)算，將四旋翼飛行器的信息融合處理,然后運(yùn)用模糊PID控制算法計(jì)算出各電機(jī)的PWM脈沖占空比,根據(jù)PWM的波形來控制小型電機(jī)的開關(guān)和電流方向.最小系統(tǒng)電路如圖3所示.微處理器模塊采用ARM4內(nèi)核的STM32F405ZGT6.這款芯片的時(shí)鐘頻率可達(dá)168MHz,具有多種通信接口，主要包括JTAG接口、I2C總線接口、AD接口、SPI接口以及數(shù)據(jù)采集的多路PWM輸出,便可滿足其他傳感器的搭載和運(yùn)算.STM32F405ZGT6具有14個(gè)定時(shí)器,對(duì)于信號(hào)采集處理和PWM輸出均能滿足.

1.2 電源供電電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)電源電路需要產(chǎn)生一路3.3V的恒壓源，電源模塊采用市面上常用的3.7V小型鋰電池作為電源.電源供電電路經(jīng)MC34063芯片升壓到5V，再經(jīng)過AMS1117芯片降壓輸出3.3V電壓.

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器的驅(qū)動(dòng)電路輸出占空比不同的脈沖波控制空心杯電機(jī)電流的開關(guān)和電流的流向.考慮到體積、質(zhì)量、成本等問題，本次選用直徑為85mm、長(zhǎng)度為20mm空心杯電機(jī).每個(gè)電機(jī)的重量為3.9g，四個(gè)電機(jī)控制四個(gè)螺旋槳，空心杯電機(jī)的工作電壓在3.3V至4.2V之間，由電路板控制電壓的大小及方向.

1.4 無線通信模塊設(shè)計(jì)

無線通信模塊主要用于遙控控制信號(hào)的收發(fā)以及圖像采集中.通過該模塊可以將信息回傳到上位機(jī)上，并且在實(shí)際操作中上位機(jī)通過無線傳輸來控制四旋翼飛行器的飛行路線，就是用自定義的控制協(xié)議控制NRF24L01無線傳輸遙控指令來控制4個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速.

1.5 姿態(tài)檢測(cè)模塊

姿態(tài)檢測(cè)模塊選用了集成三軸加速度與角速度的MPU6050六軸傳感器芯片.該芯片功能強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用在四旋翼飛行器的信息采集中.四旋翼飛行器上就選用了MPU6050來獲取飛行狀態(tài)信息.采用MPU605傳感器芯片作為系統(tǒng)的慣性測(cè)量單元，測(cè)量出加速度和角速度的原始數(shù)據(jù)，四軸飛行器的復(fù)合控制策略采用變論域模糊控制.圖4就是加入了伸縮因子的PID控制器，通過判斷誤差的大小，改變模糊控制器中輸入和輸出論域.再將得到的輸出變量調(diào)整PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，精確的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)飛行器的精確控制.

圖4 變論域的模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

1.6 紅外熱成像模塊

紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用在管道方面屬于管外探測(cè)法，效果如圖6所示.其檢測(cè)平臺(tái)搭載在四軸飛行器上.其原理是利用紅外熱成像儀接收待測(cè)物體表面向外輻射的紅外線，并通過相關(guān)的成像技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為可見的熱場(chǎng)分布云圖，最后通過分析溫度場(chǎng)異常來確定管道缺陷信息.在實(shí)際測(cè)量時(shí)，總輻射能量：

ε是目標(biāo)的發(fā)射率，τa是大氣的穿透率，W是目標(biāo)接受的總輻射能量，等式右邊第一項(xiàng)是表面溫度為T0的目標(biāo)的輻射能量，Tu是環(huán)境的反射輻射能量，Ta是大氣輻射能量.

輻射的能量經(jīng)過熱像儀內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換電路，最終表現(xiàn)為電壓的形式，熱像儀的響應(yīng)電壓：

VS是響應(yīng)電壓，K為一固定常數(shù)，εa是大氣輻射的發(fā)射率，Lbλ是光譜亮度，Rλ是探測(cè)器的光譜響應(yīng)度.由于熱像儀接受的是總輻射能量，不能具體確定是哪部分的能量，因此，通常假定其接受的輻射為某一黑體發(fā)射的輻射.由普朗克輻射定律可得待檢測(cè)目標(biāo)的實(shí)際溫度應(yīng)是：

工 作 波 段 在 2～5μm，n=9.2554，8～13μm，n=3.9889.

圖5 熱成像儀結(jié)構(gòu)圖

2 四旋翼飛行器軟件設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器的軟件設(shè)計(jì)主要是在KEIL環(huán)境下來進(jìn)行編程.軟件程序的主要流程先是微控制器控制傳感器模塊采集測(cè)量數(shù)據(jù)，然后將MPU6050采集到的數(shù)據(jù)姿態(tài)融合得到四旋翼飛行器的位置信息，將四旋翼飛行器的位置信息送入模糊PID控制程序中獲得控制信息來控制各個(gè)螺旋槳提升力的調(diào)節(jié).

四旋翼飛行器主控板的主要功能是接收無線信號(hào)、數(shù)據(jù)信息采集及調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速,處理流程一般包括以下幾部分.首先初始化；包括無線通信模塊的初始化、傳感器模塊的初始化和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的初始化等.然后通過MPU6050來獲取姿態(tài)信息以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn).主控制器對(duì)中斷時(shí)間的處理是采用定時(shí)器中斷的方式,每個(gè)中斷數(shù)字都會(huì)自動(dòng)增加,根據(jù)不同的中斷響應(yīng)處理不同的優(yōu)先級(jí)任務(wù).當(dāng)進(jìn)入中斷時(shí)系統(tǒng)會(huì)檢查無線模塊是否接收到了數(shù)據(jù),系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入中斷不需要外界的輸入.這樣可以保證實(shí)時(shí)控制飛行器的飛行狀態(tài),兩個(gè)中斷就會(huì)采集傳感器模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，就能根據(jù)飛行器的姿態(tài)信息和遙控?cái)?shù)據(jù)之間的差異,采用模糊PID控制算法計(jì)算各電機(jī)的PWM值,就改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，從而可以調(diào)節(jié)飛行其器的路線.

圖6 四旋翼飛行器軟件程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試分析

四旋翼飛行器完成之后我們進(jìn)行了試飛以及姿態(tài)信息采集.前期電路板的調(diào)試很讓人頭疼.好在從電腦上搜索到了很多開源信息，經(jīng)過幾十次的嘗試和失敗，終于實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器的正常飛行.通過MPU6050信息采集芯片來采集飛行器的角速度和加速度的原始數(shù)據(jù)，之后再通過卡爾曼濾波法進(jìn)行濾波處理，將濾波處理后的數(shù)據(jù)運(yùn)用龍哥—庫塔法更新四元數(shù)進(jìn)行解算，最后輸出姿態(tài)角和其他測(cè)量信息.我們引入了空間三維坐標(biāo)系巧妙地運(yùn)用空間矢量變換的方法來描述四旋翼飛行器的仰、偏航和橫滾的姿態(tài)信息.在實(shí)際操作中遙控四旋翼飛行器飛行，實(shí)時(shí)改變了飛行器的姿態(tài)和位置.飛行器的姿態(tài)信息解算后通過NRF24L01無線傳輸模塊傳回到上位機(jī).

圖7 MATLAB仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

四旋翼飛行器的主控板采用STM32F407芯片控制驅(qū)動(dòng)模塊、無線通信模塊以及信號(hào)采集模塊.通過PID控制算法保證了四旋翼飛行器的正常飛行.紅外檢測(cè)電路搭載在四旋翼無人機(jī)上來對(duì)管道損耗進(jìn)行檢測(cè).利用紅外熱成像儀檢測(cè)待測(cè)物體表面的紅外線，并通過相關(guān)的成像技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為可見的熱場(chǎng)分布云圖，最后通過分析溫度場(chǎng)來確定管道破損信息.當(dāng)然實(shí)際中出現(xiàn)了幾個(gè)必須解決的問題問題一：無人機(jī)是鋰電池供電，所以續(xù)航時(shí)間很短.問題二：市面上的紅外檢測(cè)儀質(zhì)量大、體積大，小型無人機(jī)很難載動(dòng).問題三：紅外熱成像的實(shí)時(shí)傳輸.所以要想實(shí)現(xiàn)無人機(jī)檢測(cè)管道必須要考慮這些問題.