劉 豫，劉佳鑫，賈云飛，馮愷鵬

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于電量的需求不斷增加，大量特高壓輸電線路不斷地建造并投入運(yùn)營(yíng)，這些電線一般都位于山區(qū)荒漠等人跡罕至的區(qū)域[1-3].傳統(tǒng)的電線檢測(cè)效率低，且需要大量勞動(dòng)力，不能適用于如今日益復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因此，為了使輸電線路檢測(cè)向智能化自動(dòng)化方向發(fā)展，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載航空巡視裝置，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，這種方法相較于傳統(tǒng)的巡檢模式具有效率高、不需要大量勞動(dòng)力、安全系數(shù)極高、適合野外作業(yè)、使用和維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[4-5].為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制，讓其實(shí)現(xiàn)電力巡檢作業(yè)，設(shè)計(jì)了合理的巡檢系統(tǒng)以及四旋翼無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)就顯得尤為重要.本文對(duì)無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，就其中四旋翼無(wú)人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制模塊.

1 基于無(wú)人機(jī)的電力巡檢系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)的巡檢系統(tǒng)由兩部分組成：① 機(jī)載巡檢系統(tǒng)；② 地面工作站.其中機(jī)載巡檢系統(tǒng)主要由4個(gè)分系統(tǒng)組成，包括：無(wú)人機(jī)、無(wú)線通訊裝置、檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)管理[6].無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

地面站系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的指揮中心，其主要任務(wù)就是對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行操控，同時(shí)還需要接收由機(jī)載巡檢裝置拍攝的圖像信息，并將其實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，由地面人員進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中可能存在的問(wèn)題，并進(jìn)行維護(hù).

一般情況下，用于電力巡檢系統(tǒng)中的無(wú)人機(jī)大致可分為兩種：① 固定翼式無(wú)人機(jī)；② 旋翼式無(wú)人機(jī).旋翼式無(wú)人機(jī)以其體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，機(jī)動(dòng)性高，具有垂直起降和懸停能力等眾多優(yōu)點(diǎn)，常被用于電力巡檢系統(tǒng).而旋翼式無(wú)人機(jī)中又以四旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用最為廣泛.

機(jī)載無(wú)線通信系統(tǒng)接收地面站發(fā)送的控制指令，同時(shí)，又將無(wú)人機(jī)采集到的各種電力線狀態(tài)信息以及無(wú)人機(jī)自身的位置與姿態(tài)信息發(fā)送給地面站，對(duì)于電力巡檢系統(tǒng)，無(wú)線通信系統(tǒng)傳輸?shù)臓顟B(tài)信息主要是電線的圖像信息，一般情況下，無(wú)線圖像傳輸與位置及姿態(tài)信息傳輸分為兩部分，即圖像傳輸系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以確保檢測(cè)設(shè)備拍到的圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬲?

數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)主要是將圖像與電力線預(yù)存的圖像進(jìn)行對(duì)比，保證在地面站無(wú)人的情況下，仍能通過(guò)圖像數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中已存在的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，生成報(bào)告，檢測(cè)電力線中是否存在缺陷，可以提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度，對(duì)故障的查詢(xún)以及管理更有益處[7].

2 四旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)研究

2.1 控制器設(shè)計(jì)

為了研究方便提出以下幾點(diǎn)假設(shè)：① 四旋翼無(wú)人機(jī)是結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)的剛體，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生彈性形變；② 四旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)翼正交安裝，且?guī)缀沃行?、重心以及機(jī)體坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合；③ 四旋翼無(wú)人機(jī)的4個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力與反扭矩僅與旋翼的轉(zhuǎn)速有關(guān).

基于以上假設(shè)，四旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型就成了一個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)且質(zhì)量均勻的6自由度剛體模型，其運(yùn)動(dòng)可以分為系統(tǒng)質(zhì)心的平動(dòng)以及系統(tǒng)繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng).

建立四旋翼動(dòng)力學(xué)模型：

式中：U1,U2,U3,U4為4旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的4個(gè)控制量;l為四旋翼無(wú)人機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)軸距機(jī)體中心的距離;K1,K2,K3,K4,K5,K6分別為四旋翼無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到的阻尼系數(shù)；d1,d2,d3,d4,d5,d6為系統(tǒng)控制過(guò)程中受到的隨機(jī)擾動(dòng)，該擾動(dòng)有上界，即d<|D|，D為常量.由于四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是個(gè)典型的欠驅(qū)動(dòng)非線性系統(tǒng)，因此采用滑模變結(jié)構(gòu)控制器，可以有效地對(duì)其進(jìn)行控制.因此，系統(tǒng)整體控制器如圖2 所示.

圖2 系統(tǒng)整體控制器Fig.2 System integral controller

整個(gè)控制系統(tǒng)分為內(nèi)外兩環(huán)進(jìn)行控制，外環(huán)為位置控制器，內(nèi)環(huán)為姿態(tài)控制器.根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)方程可以得到四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)各子系統(tǒng)基于滑模變結(jié)構(gòu)控制器的控制律，四旋翼無(wú)人機(jī)位置控制器控制律為

姿態(tài)控制器控制律為

由于通過(guò)姿態(tài)控制系統(tǒng)中ψ子系統(tǒng)單獨(dú)的控制律設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ψd的快速跟蹤，因此假設(shè)滿足位置控制律所需的姿態(tài)角為γd,θd，通過(guò)式(4)進(jìn)行求解，得到外環(huán)產(chǎn)生的中間指令信號(hào)θd，γd和位置控制系統(tǒng)的控制律U1.

(4)

(5)

式中：v(t)是待微分量;x1是對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤;x2是信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù);x3是信號(hào)二階導(dǎo)數(shù)的估計(jì)量.

由文獻(xiàn)[9，10]可知，在內(nèi)環(huán)控制中，內(nèi)環(huán)系統(tǒng)的跟蹤誤差會(huì)對(duì)整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)有較大的影響，因此，為了保證整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般通過(guò)使內(nèi)環(huán)收斂速度大于外環(huán)收斂速度的方法.本算法中通過(guò)調(diào)整內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的增益系數(shù)，保證內(nèi)環(huán)收斂速度大于外環(huán)收斂速度.

對(duì)于該四旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)，定義Lyapunov函數(shù)

(6)

通過(guò)Matlab對(duì)該控制器進(jìn)行仿真，Matlab的Simlink仿真圖如圖3 所示.

圖3 Simlink仿真圖Fig.3 Simulation diagram of simlink

圖4 跟蹤性能仿真圖Fig.4 Tracking performance simulation diagram

從圖4 中可以看出，該算法對(duì)于正弦余弦信號(hào)以及階躍信號(hào)的跟蹤相應(yīng)時(shí)間較快，且超調(diào)量較小.

由于在無(wú)人機(jī)電力檢測(cè)過(guò)程中，四旋翼無(wú)人機(jī)很容易受到外界干擾，因此對(duì)系統(tǒng)抗干擾能力進(jìn)行在線仿真，在8 s時(shí)給系統(tǒng)未知信號(hào)引入一個(gè)幅度為2的干擾信號(hào)，則系統(tǒng)抗干擾性能如圖5 所示.

圖5 抗干擾性能仿真圖Fig.5 Anti-jamming performance simulation chart

圖5 中可以看出，在系統(tǒng)受到干擾后，四旋翼無(wú)人機(jī)可以自主地回到目標(biāo)軌跡，因此在電力檢測(cè)過(guò)程中，四旋翼無(wú)人機(jī)在地面無(wú)人操控的情況下，受到外界干擾，仍然能夠按照預(yù)期軌跡進(jìn)行飛行，完成對(duì)電力設(shè)施檢測(cè)的任務(wù).

綜上，通過(guò)對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器，并用Matlab進(jìn)行在線仿真，結(jié)果表明該控制器擁有較好的軌跡跟蹤性能，在無(wú)外界控制信號(hào)輸入時(shí)，受到外界干擾后，仍然能夠繼續(xù)跟蹤目標(biāo)軌跡，完成預(yù)期任務(wù)，因此運(yùn)用滑模控制器的四旋翼無(wú)人機(jī)可以很好地完成按照規(guī)定軌跡的電力巡檢任務(wù).

2.2 四旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)采用ARM處理器，ARM處理器是一種低功耗的RISC微處理器，其大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度快，執(zhí)行效率高.本系統(tǒng)中ARM芯片選擇的是STM32F103ZET6，其內(nèi)核是ARM32位的Cortex-M3，最高可達(dá)72 MHz 的工作頻率，芯片集成了定時(shí)器、ADC，UART，SPI，I2C，CAN等外設(shè).姿態(tài)測(cè)量傳感器選用MPU6050，其是一款整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于其他組件方案，它能免除組合陀螺儀與加速度計(jì)時(shí)間軸之差的問(wèn)題，同時(shí)也大大減少了封裝空間，它能通過(guò)I2C或者SPI端口提供完整的九軸運(yùn)動(dòng)融合數(shù)據(jù)輸出.STM32最小系統(tǒng)如圖6 所示.

圖6 STM32最小系統(tǒng)電路圖Fig.6 STM32 minimum system circuit diagram

控制系統(tǒng)接收MPU6050整合的姿態(tài)信息，通過(guò)STM32進(jìn)行控制算法運(yùn)算，產(chǎn)生電機(jī)所用PWM信號(hào)，根據(jù)PWM的占空比調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)四旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)，讓無(wú)人機(jī)按照地面站指令軌跡進(jìn)行飛行.

由于四旋翼無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)往往需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的探查，為了讓無(wú)人機(jī)在電量耗盡時(shí)提前返航，本系統(tǒng)加入了對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)電量檢測(cè)功能，對(duì)于一般鋰電池，其電壓會(huì)隨著其電量的減小而變低，因此可以通過(guò)STM32的ADC外設(shè)對(duì)電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證讓四旋翼無(wú)人機(jī)有充足的電量進(jìn)行返航.STM32控制系統(tǒng)程序流程圖如圖7 所示.

圖7 STM32程序流程圖Fig.7 STM32 program flow chart

3 結(jié)束語(yǔ)

本文為用于電力巡檢的四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)控制算法，通過(guò)構(gòu)造Lyapunov函數(shù)，證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并通過(guò)Matlab的Simlink仿真功能，驗(yàn)證了該算法擁有較優(yōu)異的軌跡跟蹤性能，以及受到干擾后快速恢復(fù)原軌跡功能.通過(guò)使用STM32與MPU6050設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，通過(guò)PWM波控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到讓四旋翼無(wú)人機(jī)按照目標(biāo)軌跡飛行的目的，從而完成電力巡檢的任務(wù).