彭惠芹,程 棟,白昱哲,崔何瑞

(山西大同大學(xué),山西 大同 037003)

0 引言

無人機(jī)電力巡檢可解決人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)效率低等問題,其優(yōu)勢在于作業(yè)準(zhǔn)確性高及對(duì)周邊環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),無人機(jī)巡線比人工巡線質(zhì)量及效率高,能有效降低檢測成本,及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷,提升檢測作業(yè)的安全性,從而提高線路管理與維護(hù)水平。無人機(jī)巡檢是一種先進(jìn)、科學(xué)、高效的電力巡線方式[1]。本研究設(shè)計(jì)了一款基于四旋翼飛行器的電力巡線機(jī)器人,運(yùn)用多種控制方式搭建一個(gè)具有GPS導(dǎo)航和人為規(guī)劃路線功能的無人機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)指定巡檢電力線路及桿塔狀態(tài)的實(shí)時(shí)巡檢,根據(jù)巡檢計(jì)劃實(shí)施巡線,拍攝并存儲(chǔ)所發(fā)現(xiàn)的異常情況,將其傳送到地面顯示裝置上。無人機(jī)部分包括起飛、降落、定高、循跡及飛行方式的調(diào)試,巡檢巡線控制由色塊識(shí)別與GPS導(dǎo)航電路組成。無人機(jī)利用陀螺儀檢測飛行偏角,用A/D轉(zhuǎn)換構(gòu)成閉環(huán),采用PID算法,通過PWM驅(qū)動(dòng)電路控制無人機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)正常飛行。利用KEIL MDK5對(duì)飛行軌跡及飛行狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)程序的編輯軌跡,巡線控制則用Open MV攝像頭實(shí)現(xiàn)色塊識(shí)別,以GPIO 口輸出低電頻的方式控制GPS定位。主要研究內(nèi)容包括無人機(jī)的制作、GPS的程序設(shè)計(jì)及遙控方式的實(shí)現(xiàn),如無人機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作、電路設(shè)計(jì)及相關(guān)控制程序設(shè)計(jì)等。

1 模塊方案與選擇

1.1 無人機(jī)結(jié)構(gòu)組成

無人機(jī)由MSP 432控制器、OPEN MV 攝像頭、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)構(gòu)成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。性能高和功耗低是MSP 432的顯著特點(diǎn),具有高集成度,內(nèi)核ARMMF的Core mark達(dá)到3.41/MHz,外圍優(yōu)化非常友好。傳感器系統(tǒng)包括用于空間定位的光流傳感器、高度傳感器、氣壓計(jì)、加速度計(jì)、電子羅盤及用于角運(yùn)動(dòng)檢測的陀螺儀及管理飛行航向與姿態(tài)的磁力計(jì)。OPEN MV 攝像頭通過攝像頭和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與MSP 432控制器進(jìn)行控制與連接。飛行控制系統(tǒng)包含電子調(diào)速器和無刷電機(jī)兩部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System organization

1.2 視覺系統(tǒng)的論證與選擇

方案一:采用OPEN CV,內(nèi)含開源視覺庫,不包括硬件,需額外配置攝像頭。

方案二:采用OPEN MV,硬件與軟件搭配攝像頭小型模塊,含有內(nèi)置例程,便于學(xué)習(xí)與操作。

綜上,選擇方案二。

1.3 控制系統(tǒng)的論證與選擇

方案一:PID算法控制。PID算法的精髓是運(yùn)用比例函數(shù)、微積分等函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算,作為輸出控制的參數(shù)依賴于PID算法的最終運(yùn)算結(jié)果,具有算法簡單及控制精度高的優(yōu)點(diǎn),以PID算法作為本系統(tǒng)的控制滿足精確要求,節(jié)約了運(yùn)算時(shí)間及單片機(jī)資源[2]。

方案二:模糊控制算法控制。該算法的優(yōu)點(diǎn)是不需要事先構(gòu)建對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)具有超調(diào)量小、響應(yīng)快、過渡過程時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),但需要處理的數(shù)據(jù)量大,增加了編程復(fù)雜程度。

綜上,選擇方案一。

1.4 軌跡編輯

方案一:利用Vscode,具有配置人性化、插件生態(tài)豐富、shortcuts功能、編輯效率高等優(yōu)點(diǎn),但插件安裝多,導(dǎo)致內(nèi)存增加。

方案二:利用KEIL MDK5,其對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較低,體現(xiàn)在器件(Software Packs)與編譯器(MDK core)分離。

綜上,選擇方案二。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

四翼無人機(jī)負(fù)載后需要平穩(wěn)運(yùn)行,需控制無人機(jī)的升力,而升力由無人機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速及機(jī)翼翼展長度決定。為了使無人機(jī)正常飛行,需對(duì)電機(jī)馬力和配對(duì)翼展進(jìn)行計(jì)算,帶動(dòng)巡線機(jī)構(gòu)按照預(yù)定軌跡前進(jìn),以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)任務(wù)。

建立慣性坐標(biāo)系和體坐標(biāo)系,運(yùn)用歐拉-拉格朗日法等方法對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,必要的參數(shù)計(jì)算如下:

則有:

化簡得微分方程:

得飛行器的拉格朗日型數(shù)學(xué)模型:

式中,u1—標(biāo)量,是四旋翼螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的向上推力的總和。

2.2 電路程序設(shè)計(jì)

無人機(jī)利用KEIL MDK5對(duì)飛行軌跡及飛行狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)程序的編輯軌跡。圖2為無人機(jī)工作流程。無人機(jī)起飛高度設(shè)定在150 cm,當(dāng)巡航識(shí)別到目標(biāo)A時(shí),無人機(jī)燈光閃爍提示識(shí)別目標(biāo)A,按指定路線行進(jìn);其間拍攝并存儲(chǔ)發(fā)現(xiàn)的異常情況,傳送到地面顯示裝置上。當(dāng)識(shí)別到邊界線時(shí)調(diào)整路線繼續(xù)前行,直至識(shí)別到物塊B,無人機(jī)停止燈光閃爍并按指定路線行至終點(diǎn),無人機(jī)降落停機(jī)。此程序可依據(jù)人工規(guī)劃路線調(diào)整巡線環(huán)節(jié)及目標(biāo)。

圖2 無人機(jī)工作流程Fig.2 Drone workflow

3 測試方案及測試結(jié)果

3.1 測試方案

測試重點(diǎn)在于無人機(jī)起降、定點(diǎn)懸停、自主避障及對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別測試能力[4],測試場地:①作業(yè)起始區(qū):藍(lán)色空心圈為無人機(jī)起降區(qū),飛行器在“十”字起降點(diǎn)垂直起飛,升空至150±10 cm巡航高度。②二維碼所在區(qū):在作業(yè)區(qū)放置一只高度為150 cm、直徑3.5±0.5 cm的紅色桿塔,桿塔上套有圓環(huán)形條形碼。③預(yù)定巡航路線:灰色直線為預(yù)定路線。④飛行器用啟閉可控、垂直向下安裝的激光筆閃爍光點(diǎn)表示巡航動(dòng)作路線。根據(jù)預(yù)定軌跡運(yùn)行,激光筆按計(jì)算速度于相應(yīng)區(qū)域即時(shí)閃爍,遇到二維碼桿時(shí)自動(dòng)避障。

3.2 測試結(jié)果與分析

數(shù)字為激光閃爍次數(shù),巡檢運(yùn)行基本符合任務(wù)所需,偶爾出現(xiàn)不符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期的結(jié)果,預(yù)期偏差較小。飛行參數(shù)經(jīng)過多次測試及調(diào)整得出了比較滿意的數(shù)據(jù)。表1為飛行器飛行測試的PID數(shù)據(jù),由表1可見,無人機(jī)控制性能良好,采用PID算法控制器能夠提供更強(qiáng)的魯棒性及更高的跟蹤準(zhǔn)確性[2]。

表1 四旋翼飛行器實(shí)際飛行的PID數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

電力巡線機(jī)器人的開發(fā)解決了人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)效率低等問題,作業(yè)準(zhǔn)確性高,對(duì)周邊環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),能有效降低檢測成本,及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷,提升檢測作業(yè)的安全性,從而提高線路管理及維護(hù)水平。