徐梓祺 邢華寧 盧鎮(zhèn)成 戴創(chuàng)昆 甘?？?高 遠(yuǎn)（指導(dǎo)老師）

（廣西科技大學(xué)，廣西 柳州545000）

1 研究主要內(nèi)容

為提高地下綜合管廊巡檢的效率和機(jī)動(dòng)性，以六旋翼無人機(jī)為搭載平臺(tái)，STM32 微處理器為主控制器。實(shí)現(xiàn)高效全面的自動(dòng)化無人機(jī)管道巡檢。研究內(nèi)容如下：（1）結(jié)合不同的檢測對象，可搭載的傳感器采集電路的設(shè)計(jì)；（2）無人機(jī)飛行障礙物檢測電路和自動(dòng)避障控制電路的設(shè)計(jì)；（3）制定無人機(jī)自動(dòng)巡檢的循跡方案；（4）制定無人機(jī)與地面用戶終端間無線通信方案，實(shí)現(xiàn)用戶對無人機(jī)巡檢情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控；

2 城市地下綜合管廊的巡檢無人機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以地下綜合管廊作為巡檢研究對象，提出能對管道內(nèi)圖像信息、多種氣體數(shù)據(jù)和電線破損信息進(jìn)行檢測的城市地下綜合管廊的巡檢無人機(jī)設(shè)計(jì)。以WiFi 為傳輸媒介搭建WiFi 中繼站進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)信號(hào)的遠(yuǎn)距離無線傳輸，結(jié)合運(yùn)用云端實(shí)現(xiàn)用戶終端對傳感檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和對無人機(jī)的飛行模式進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)綜合管廊內(nèi)情況的快速獲取、遠(yuǎn)程傳輸與智能管理為目標(biāo)，采用分布式客戶機(jī)/服務(wù)器形式，由用戶終端以及傳感器通過WiFi 網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介組成。主要完成采集管廊內(nèi)管線環(huán)境數(shù)據(jù)信息、操控?cái)z像頭和電子設(shè)備，圖像顯示和無人機(jī)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制等功能。

2.1 巡檢無人機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體框架。圖1 所示為城市地下綜合管廊的巡檢無人機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架圖。其中：（1）視頻采集裝置主要由紫外線成像儀、高清攝像儀、紅外成像儀組成。氣體檢測裝置主要由甲烷傳感器、CO氣體傳感器、硫化氫氣體傳感器、溫濕度傳感器組成；（2）用戶終端能夠直接在現(xiàn)場與主控制器通信，讀取和顯示出無人機(jī)上各裝置所采集的氣體參數(shù)以及視頻圖像信息，或授權(quán)給云端用戶終端從云端讀取和顯示出無人機(jī)上各裝置所采集的氣體參數(shù)以及視頻圖像信息并進(jìn)行遠(yuǎn)程操控；（3）無人機(jī)通過將城市地下管廊的路徑數(shù)據(jù)輸入到主控制器并配以超聲波傳感器避障的循跡方式，來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主巡檢工作。

圖1 城市地下綜合管廊的巡檢無人機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架圖

圖2 巡檢無人機(jī)所搭載的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 搭載多傳感器檢測采集電路的設(shè)計(jì)。（1）管廊內(nèi)環(huán)境圖像數(shù)據(jù)的采集電路設(shè)計(jì)?？紤]管廊內(nèi)光線不足情況，采用型號(hào)為HP-DRCO427 的高清攝像機(jī)使工作人員遠(yuǎn)程即可查看管廊內(nèi)情況；（2）電纜漏電現(xiàn)象的檢測電路設(shè)計(jì)。針對電纜破損、受潮、管理不當(dāng)?shù)仍蛩鶎?dǎo)致的肉眼無法辨別的電纜漏電問題，采用型號(hào)為XC-EU50CE 的紫外線成像儀可以查看電纜導(dǎo)線在受潮或積污情況下的電暈放電特性，從而判斷出電纜漏電點(diǎn)；（3）電纜過熱現(xiàn)象的檢測電路設(shè)計(jì)。針對電纜氧化腐蝕，導(dǎo)線接頭松動(dòng)等原因?qū)е碌碾娎|過熱問題，采用FILR 公司的A300 紅外攝像機(jī)，通過查看熱像圖可以得到電纜導(dǎo)線的溫度，找出電纜故障時(shí)的熱故障點(diǎn)；（4）空氣成分?jǐn)?shù)據(jù)的檢測電路設(shè)計(jì)。針對空氣中的溫度、濕度，以及一氧化碳、甲烷和硫化氫氣體的含量檢測，選用型號(hào)為DHT11 的溫濕度檢測器，CO 氣體傳感器型號(hào)為MQ-7，H2S 氣體傳感器型號(hào)為MQ-135，甲烷氣體傳感器型號(hào)為MQ-2。

2.3 設(shè)計(jì)無人機(jī)飛行障礙物檢測電路和自動(dòng)避障控制電路。相比較于地面飛行，地下綜合管廊的空間較小，所以當(dāng)無人機(jī)飛行時(shí)對管廊內(nèi)的障礙物進(jìn)行檢測和自動(dòng)避障控制，必不可少。

（1）無人機(jī)飛行情況的傳感采集電路設(shè)計(jì)。針對城市地下綜合管廊如一管廊的道路為東西向主干路, 規(guī)劃道路紅線寬60m,兩側(cè)綠線30m 控制。路下共規(guī)劃給水、雨水、污水、電力、通訊、熱力、燃?xì)?、中水? 種常用管線。規(guī)劃綜合管廊長度約2.8km，管廊凈高5m。采用型號(hào)為LIS3DHTR 的速度檢測器，姿態(tài)采集器采用ADI公司生產(chǎn)的集成慣性測量單元ADIS16405，位置定位器選用u-bloxAG 公司的ANTARIS4GPS；接收機(jī)主控制器的型號(hào)為STM32F103C8T6；存儲(chǔ)器為16M 容量的Flash （華邦公司W(wǎng)25Q128）和4G容量的SD卡組成；無人機(jī)型號(hào)為S550。（2）障礙物檢測電路的設(shè)計(jì)。針對無人機(jī)的自動(dòng)避障功能，采用型號(hào)為HY-SRF05 的超聲波測距傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)障礙物檢測電路。（3）制定避障時(shí)的飛行控制策略。項(xiàng)目中六旋翼無人機(jī)飛控采用PID（比例- 積分- 微分）雙閉環(huán)控制策略，無人機(jī)飛行障礙物檢測和自動(dòng)避障控制通過采集超聲波數(shù)據(jù)（超聲波模塊發(fā)出40kHz的脈沖，當(dāng)檢測到回波信號(hào)后，對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償），并在分析該數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合一階低通濾波、限幅濾波和中位值濾波對其進(jìn)行處理，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)通過控制飛行器Y 軸和Z 軸來實(shí)現(xiàn)避障，且前、后、左、右4 個(gè)超聲波模塊對飛行器的控制是線性疊加的，相互之間不會(huì)產(chǎn)生干擾。（4）飛行姿態(tài)傳感器初步選型及其工作原理。選擇ADIS16405 姿態(tài)傳感器，它與主控微控制單元的通信協(xié)議采用集成電路總線方式。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主控單元需要對傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，即對姿態(tài)傳感器的寄存器用IIC 進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，程序中先將ADIS16405 的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器相關(guān)參數(shù)配置好，通過ADIS16405采集運(yùn)動(dòng)信息，通過傳感器自帶的DMP 直接將原始數(shù)據(jù)解算出四元數(shù)和姿態(tài)，而不需要在程序中進(jìn)行額外的數(shù)學(xué)運(yùn)算。得到四元數(shù)等數(shù)據(jù)后再經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算便可求得歐拉角，計(jì)算出目標(biāo)歐拉角與實(shí)際歐拉角的差，輸入比例積分導(dǎo)數(shù)控制器即可。用ADIS16405 的XCL，XDA端子與數(shù)字羅盤的SCL，SDA端子相連，這樣一來就可以從此IIC接口讀出一個(gè)9 軸的信息，包括三軸的MEMS 陀螺儀姿態(tài)信息即3 個(gè)軸的角速度；三軸的加速度；以及三軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度。這三者之間相互矯正可以為飛行控制系統(tǒng)提供較為精確的姿態(tài)以及運(yùn)動(dòng)方向信息。

2.4 研究制定無人機(jī)自動(dòng)巡檢的循跡方案。結(jié)合城市地下管道聲波較為穩(wěn)定的特點(diǎn)，項(xiàng)目采用超聲波傳感器循跡方案。利用無人機(jī)軟件系統(tǒng)中的A/D采集驅(qū)動(dòng)程序，將規(guī)劃路線寫入無人機(jī)路線規(guī)劃系統(tǒng)，結(jié)合超聲波模塊。實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行。設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件中的A/D采集驅(qū)動(dòng)程序是進(jìn)行路線規(guī)劃的重要部分。A/D 采集驅(qū)動(dòng)程序能夠?qū)⒖账儆?jì)發(fā)出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為所需的空速信息。A/D采集芯片采集到空速計(jì)發(fā)出的電壓信號(hào)，讀取時(shí)需模SPI 通信設(shè)備。A/D采集驅(qū)動(dòng)程序含有硬件初始化、選擇轉(zhuǎn)換通道等部分。當(dāng)流程進(jìn)入硬件初始化部分后，設(shè)置主控制器的串口，以及SPI 初始值和控制寄存器參數(shù)。寫入無人機(jī)路線規(guī)劃控制器自校準(zhǔn)設(shè)備和配置中的內(nèi)部控制寄存器，將選擇通道的A/D轉(zhuǎn)換功能啟動(dòng)。轉(zhuǎn)換工作完成后，調(diào)用讀函數(shù)設(shè)備讀出無人機(jī)航線規(guī)劃控制結(jié)果。

2.5 制定用戶終端間無線通信方案。設(shè)計(jì)采用多WIFI 中繼通信技術(shù)在巡檢無人機(jī)與云端的通信應(yīng)用。其中，由于涉及多傳感器和控制設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊問題，各傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線通信模塊與通信終端建立以mqtt 通訊協(xié)議為基礎(chǔ)建立連接之后，可以將傳感器采集的視頻圖像和氣體數(shù)據(jù)參數(shù)信息傳送到通信終端；同時(shí)，通信終端向無人機(jī)做響應(yīng)反饋，并且下發(fā)指令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)設(shè)計(jì)出內(nèi)置有mqtt 服務(wù)端和發(fā)布端的通信終端，主控制器的通信裝置內(nèi)置有mqtt 客戶端?？蛻舳伺c發(fā)布者之間通過數(shù)據(jù)幀里的主題編號(hào)來獲取自己想要的數(shù)據(jù)建立請求/應(yīng)答機(jī)制，即可完成數(shù)據(jù)的合理通信。圖3 為多WiFi 中繼通信方式示意圖。

圖3 多WiFi中繼通信方式原理示意圖

3 特色與創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 利用六旋翼無人機(jī)作為管廊檢測傳感器搭載平臺(tái)，相比傳統(tǒng)人工巡檢和其它類巡檢機(jī)器人，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)靈活性高。配合多種傳感器和攝像頭分別采集城市地下綜合管廊環(huán)境中的氣體信息數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆贫?，?shí)現(xiàn)對管廊內(nèi)的環(huán)境信息的有效全面采集；

3.2 為實(shí)現(xiàn)巡檢無人機(jī)與用戶終端的無線通信，采用多WiFi中繼方案對數(shù)據(jù)進(jìn)行方便快速傳輸，從而保證信息的可靠性傳輸；

3.3 可實(shí)現(xiàn)用戶對遠(yuǎn)程操作和自主巡檢的功能需求。用戶端可將地下綜合管廊的管廊線路數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入無人機(jī)并配以超聲波避障來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主規(guī)劃巡檢路線或由使用者進(jìn)行遠(yuǎn)程操控飛行。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)為解決巡檢方式中的不足，結(jié)合管廊內(nèi)所布置的綜合管線類型和管道內(nèi)的環(huán)境特點(diǎn)，將無人機(jī)技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、遠(yuǎn)程通訊技術(shù)等相結(jié)合，研制了一種用于地下管廊綜合管線的巡檢無人機(jī)。