摘 要： 針對內蒙古等北方高寒地區(qū)風電機組葉片覆冰問題，提出風電機組葉片的無人機除冰噴射控制系統(tǒng)?；赟TM32F103基礎，設計無人機除冰控制系統(tǒng)，從除冰劑噴射控制、傳感器采集數據實時監(jiān)測、遙控操作及裝置安全控制等功能需求出發(fā)，制定系統(tǒng)方案并完成除冰控制系統(tǒng)總體設計，針對試驗中流量控制存在的問題對除冰控制系統(tǒng)的PWM驅動控制部分進行軟硬件優(yōu)化，采用離散式PID控制算法，負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)提高流量精度和除冰效率。完成除冰控制裝置整合及系統(tǒng)調試，搭建實驗平臺，選擇八旋翼無人機載具并進行參數設置及飛行測試，最終完成整個除冰無人機設備整合，實現(xiàn)精準局部除冰。

關鍵詞：風電機組葉片；無人機；除冰控制系統(tǒng)；STM32F103；脈寬調制；離散式PID控制算法

中圖分類號：TP23；TK83 文獻標志碼：A

0 引 言

在碳達峰、碳中和的雙碳背景下，風電作為綠色清潔高效的新能源，迎來發(fā)展新機遇。內蒙古風資源儲備、風電裝機容量和風力發(fā)電量居全國首位［1］。風電行業(yè)快速發(fā)展的同時，高海拔地區(qū)的風力機極易發(fā)生葉片覆冰現(xiàn)象，給風電機組裝備安全運行帶來的巨大挑戰(zhàn)［2］。不同于南方低溫高濕天氣而造成風電機組大范圍完全覆冰而停機［3］，北方地區(qū)通常高寒干燥，在高寒冰凍環(huán)境下，風電機組葉片會頻繁覆冰［4］。覆冰會影響葉片翼型的氣動性能，增大葉片機械載荷和離心載荷［5］，增大葉根、輪轂等關鍵部位的極限載荷和疲勞載荷，縮短旋轉連接部件運行壽命［6］，結冰嚴重時，機組的氣動轉矩減小、葉輪轉速降低、機組輸出功率顯著下降［7］。

Lamraoui 等［8-9］通過建立覆冰條件下模型和數值模擬，發(fā)現(xiàn)葉片前緣與近葉尖區(qū)域更易覆冰；舒立春等［10］開展輕微雨凇的自然條件下風電機組覆冰實驗，發(fā)現(xiàn)葉片覆冰主要集中在近葉尖1/3 的區(qū)域，且風力發(fā)電機葉片前緣及迎風面更易覆冰。國內外解決覆冰的主要手段是在葉片覆冰后采取適當的措施快速除冰，最大限度地減少經濟損失［11-12］。本文考慮內蒙古風力發(fā)電機葉片等覆冰情況和現(xiàn)役風電機組中未增加熱除冰裝置的風電機組，通過對風電機組葉片覆冰冰型、冰厚和覆冰區(qū)域的研究，確定葉片最易覆冰位置及覆冰情況，采用噴射除冰劑的除冰方式進行除冰。

文獻［13-15］基于脈寬調制（pulse width modulation，PWM）技術，通過調整PWM 噴灑控制信號的占空比，無線遙控遠程控制實現(xiàn)變量噴灑。韓賓［16］設計的噴灑管理系統(tǒng)由意法半導體32 位系列微控制芯片（ST Microelectronics 32-bitMicrocontroller）最小系統(tǒng)板、流量傳感器以及噴頭和水泵的直流無刷電機驅動板組成。王朔［17］設計的變量噴灑系統(tǒng)包括電源、主控、噴灑等硬件電路，編寫C 代碼實現(xiàn)軟件系統(tǒng)設計，同時設計分檔式算法和比例- 積分- 微分（ProportionalIntegral Derivative，PID）流量控制算法，通過流量差值與流量閾值比較，對應采用PID、比例-微分（Proportional Differential，PD）流量控制算法，減小流量誤差。文獻［18-19］基于嵌入式和STM32F103 基礎上完成控制系統(tǒng)軟硬件設計。張泉勇［20］通過多因素、參數的非線性關系模型，結合誤差反向傳播神經網絡，使用流量傳感器搭配PID 算法，實現(xiàn)流量穩(wěn)定調節(jié)?；赟TM32F103 基礎和PWM 技術，完成除冰劑噴射控制，并對系統(tǒng)優(yōu)化設計搭配離散式PID 控制算法提高除冰劑控制精度。本文提出無人機除冰控制系統(tǒng)研究，在現(xiàn)有機場飛機除冰和植保無人機噴灑控制系統(tǒng)基礎上，考慮內蒙古風電機組覆冰特點和除冰無人機功能需求進行總體設計和優(yōu)化，裝置整合調試完成標定試驗和性能測試。

1 總體設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

除冰無人機控制系統(tǒng)總體設計如圖1 所示，主要包括噴射控制系統(tǒng)與顯示遙控系統(tǒng)，系統(tǒng)間采用無線串口通信實現(xiàn)數據傳輸與操作指令控制，實現(xiàn)無線遙控控制除冰劑噴射和傳感器采集數據的實時監(jiān)測等功能。通過噴射控制系統(tǒng)驅動外圍多傳感器采集必要信息，接收遙控控制信號實現(xiàn)除冰劑噴射；通過顯示遙控系統(tǒng)控制除冰劑噴射關停和LCD 顯示屏顯示測距、溫度、流量和狀態(tài)信息；通過無線模塊傳輸信息，實現(xiàn)信息傳輸與遠距離控制。選擇八旋翼無人機作為載具，地面完成無人機初始化設置與參數設置，為除冰控制系統(tǒng)作業(yè)提供支持。

1.2 驅動控制原理

噴射控制系統(tǒng)的驅動控制可通過PID 控制實現(xiàn)閉環(huán)負反饋調節(jié)，采用離散式PID 控制算法。除冰控制作業(yè)中，霍爾流量傳感器將采集到的噴射控制實際流量與流量給定值的差值，經過PID 控制器的離散式PID 控制算法運算處理，輸出PWM 信號，經調壓模塊處理輸出電壓控制隔膜泵以不同轉速動作，得到除冰劑實際流量，經流量傳感器采集，將實時流量信號與流量給定值信號進行比較，實現(xiàn)流量負反饋閉環(huán)控制自動調節(jié)，保證系統(tǒng)處于負反饋穩(wěn)定運行狀態(tài)。噴射系統(tǒng)控制結構如圖2 所示。綜合考慮STM32 主控模塊處理能力和流量控制方式，采用離散式PID 控制算法，如式（1）所示。

式中：k——采樣時刻，s；Kp——比例系數；T——采樣周期，s；Ti—— 積分時間常數；j—— 采樣時間，s；Td—— 微分時間常數。

2 系統(tǒng)硬件設計

根據除冰無人機控制系統(tǒng)總體設計，對除冰控制系統(tǒng)進行硬件設計，包括顯示遙控系統(tǒng)和噴射控制子系統(tǒng)，如圖3所示。

2.1 最小系統(tǒng)設計

電源電路：鋰電池通過穩(wěn)壓電路將其電壓轉換3.3 V 和5 V，為主控STM32 芯片和控制電路供電。復位電路：用來復位MCU 主控芯片。時鐘電路：STM32 時鐘電路定時，主頻時鐘選擇8 MHz 頻率晶振方便倍頻，低速外部時鐘選擇32.768kHz 頻率晶振，提供精確時鐘源，用于精準計時電路。BOOT啟動電路：BOOT0 和BOOT1 通過0 Ω 電阻與GND 相連，啟動模式用于用戶閃存存儲器，下載程序重啟時直接通過Flash啟動程序。SWD 調試電路：需要連接4 根線，即：SWCLK、SWDIO、GND 和3.3 V 引腳，選擇SWD 調試節(jié)約IO 數量，選擇ST-LINK V2 調試下載器編程燒錄程序。

2.2 主控模塊

選擇STM32F103C8T6 芯片作為除冰控制系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)的主控模塊，該芯片是一款基于ARM Cortex-M3 內核STM32 系列的增強型高性能32 位微控制器，其資源豐富且通用性強，可滿足除冰控制系統(tǒng)的功能需求。

2.3 電源模塊

選擇9 V，800 mAh（1 mAh=3.6 C）鋰離子充電電池用于顯示遙控和噴射控制系統(tǒng)中主控模塊和外圍電路供電，選擇2200 mAh-20 C-3 S-11.1 V 鋰電池（XT60 接口）用于噴射控制系統(tǒng)裝置中主控模塊、外圍電路和直流電機驅動控制供電?？刂茋娚湎到y(tǒng)中，穩(wěn)壓電路將9 V 電壓轉換成3.3 V，為主控STM32 芯片供電，將12 V 電壓轉換成5 和3.3 V，為控制電路供電。顯示遙控系統(tǒng)中，穩(wěn)壓電路將9 V 電壓轉換成兩路3.3 V，分別為主控STM32 芯片和控制電路供電。DC-DC 穩(wěn)壓電路中正向低壓降穩(wěn)壓電源芯片AMS1117，具有過熱切斷、限流保護功能。9 V 電源穩(wěn)壓電路如圖4 所示。

2.4 驅動控制模塊

采用雙MOS 管設計驅動控制電路并聯(lián)有源輸出，輸出端可控制包括電機在內的大功率設備（最大可支持400 W），可輸入PWM，控制電機轉速，實現(xiàn)水泵工作電壓調節(jié)，進而控制抽水流速。驅動控制電路原理圖如圖5 所示。

2.5 傳感器模塊

無人機除冰作業(yè)時，無人機與葉片之間存在安全距離，為實現(xiàn)最佳除冰效果，需進行距離信息采集。選擇北醒TFminiPlus 激光測距傳感器，抗戶外強光干擾和人機級震動，測距范圍0～12 m，采用IIC 通信方式，滿足除冰無人機戶外測距要求。加熱除冰劑除冰效果顯著，為實時測量除冰劑溫度，使除冰雪效果更佳，選擇防水型DS18B20 數字溫度傳感器，“一線總線”抗干擾溫度傳輸，測量溫度范圍為-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃，滿足測溫要求。為實現(xiàn)無液位水泵保護功能，選擇XKC-Y25-V非接觸式液位傳感器，其適用于非金屬容器外壁且無需與液體直接接觸，支持高低電平輸出，檢測到有無除冰劑的電壓信號變化傳輸至主控模塊判斷，控制水泵關停等操作。為保證最佳流量噴射作業(yè)下的除冰效果，對除冰劑流量進行實時監(jiān)測。選擇YF-S201 流量傳感器，流量檢測傳感器基于霍爾傳感器，除冰劑溫度不宜超過120 ℃，滿足裝置需求。

2.6 無線傳輸及顯示模塊

采用無線傳輸模塊可將傳感器采集信息傳回和控制命令發(fā)送，進行無線通信遠程控制，設計選擇433 mHz lora 無線模塊，通信距離3 km，工作溫度-40～85 ℃，搭配同頻直式全向天線，節(jié)省空間，可大大降低無線通信的開發(fā)、有效減小實際通信距離和設備局限。

顯示模塊選擇1.54 寸（1 寸=3.33 cm）分辨率240×240 的LCD 顯示屏，通信方式為SPI。工作溫度-20～70 ℃，滿足工作需求，高清彩色顯示不同采集信息。

3 系統(tǒng)軟件設計

除冰控制軟件系統(tǒng)（如圖6 所示）采用C 代碼完成系統(tǒng)間的信息傳輸、操作控制等程序開發(fā)，包括LCD 顯示、無線串口傳輸和遙控控制指令及指示燈等顯示遙控子系統(tǒng)軟件設計；多傳感器的數據采集及無線串口傳輸程序設計和驅動控制等噴射控制子系統(tǒng)軟件設計。軟件設計包括SPI、I2C、USART 通信程序配置、定時器TIM3、TIM4 中斷和EXTI 外部中斷配置等。

3.1 噴射控制子系統(tǒng)程序設計

噴射控制裝置程序設計，包括驅動控制模塊程序設計和激光測距、溫度、流量和液位4 個傳感器模塊程序設計。程序的設計搭配硬件系統(tǒng)實現(xiàn)噴射控制系統(tǒng)噴射控制和數據采集等功能。噴射控制子系統(tǒng)主程序設計思路是：開始啟動，系統(tǒng)和外部設備初始化，信息采集和控制驅動，子系統(tǒng)采集數據，包括霍爾流量計除冰劑流量值、激光測距距離值、除冰劑溫度值和是否有除冰劑信息值，定時器計時，定義數組，數組對應相關賦值，通過無線傳輸1 s 傳輸一個數據發(fā)送至顯示遙控裝置接收并顯示在相應位置，同時標志位清零，重新循環(huán)1 s 發(fā)送一組最新采集數據；液位傳感器檢測是否存在液位：當有液位信號時，并且接收到無線遙控動作指令，噴射控制系統(tǒng)才會控制隔膜泵的相關動作，當液位傳感器采集到無液位信號，直接控制隔膜泵關停保護水泵，完成噴射控制系統(tǒng)控制。

3.2 顯示遙控系統(tǒng)主程序設計

顯示遙控系統(tǒng)用于實現(xiàn)傳感器采集數據信息接收和顯示以及噴射控制信號的無線遙控。顯示遙控系統(tǒng)程序設計，包括LCD 顯示屏設計、無線遙控及LED 顯示設計和無線傳輸模塊設計。顯示遙控裝置子系統(tǒng)主程序設計思路是：開始啟動，系統(tǒng)初始化、外部設備初始化，噴射控制裝置子系統(tǒng)采集數據，包括霍爾流量計除冰劑流量值、激光測距距離值、除冰劑溫度值和是否有除冰劑信息值，顯示遙控裝置系統(tǒng)通過無線傳輸獲取數據信息，數組相關賦值并設置LCD 顯示對應位置，同時標志位清零，重新循環(huán)接收新數據；LCD 顯示屏直觀顯示信息，按鍵發(fā)送控制動作指令，控制隔膜泵相關工作，完成顯示遙控系統(tǒng)控制。

4 驅動控制系統(tǒng)優(yōu)化

噴射控制系統(tǒng)中驅動控制設計進行相關控制測試，可實現(xiàn)驅動隔膜泵動作及不同PWM 占空比下流量控制。為實現(xiàn)隔膜泵直流電機兩端輸入電壓穩(wěn)定和除冰劑流量的精準控制，針對設計的除冰控制PWM 噴射模塊的驅動控制部分進行軟硬件系統(tǒng)優(yōu)化設計來提高除冰效率，使其以最佳噴射流量完成除冰控制作業(yè)，實現(xiàn)最佳除冰效果。

4.1 驅動控制系統(tǒng)硬件設計

硬件電路設計采用PWM 大功率直流電機驅動板，穩(wěn)壓電路對PWM 占空比控制電壓穩(wěn)定輸出，同時驅動板的電壓給噴射控制系統(tǒng)控制器和外圍電路供電，簡化電路設計。驅動控制硬件系統(tǒng)結構如圖7 所示。

4.2 驅動控制系統(tǒng)軟件設計

軟件系統(tǒng)采用離散式PID 控制算法，提高除冰無人機噴射除冰劑流量精度，負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)結合流量傳感器采集實際流量數據與目標給定流量的差值經PID 控制器處理提高流量精度。驅動控制系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。

先進行系統(tǒng)、外部設備初始化設置，啟動定時器TIM3 和定時器TIM4，啟動外部設備霍爾流量傳感器的外部中斷EXTI 采集流量數字脈沖，啟動無線傳輸模塊的通信功能，控制指令和數據的正常收發(fā)。檢測液位傳感器是否能采集到液位電平信號，不存在液位除冰劑狀態(tài)報警，控制隔膜泵直流電機動作關停實現(xiàn)電機保護功能。存在液位除冰劑狀態(tài)正常，判斷是否接收到遙控控制噴射指令，接收控制指令，按照預實驗獲得的最佳流量作為目標流量值給定，并在輸出PWM 占空比下驅動隔膜泵電機動作，霍爾流量傳感器采集實時流量并將實際流量值反饋，閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)下得到給定流量與實際流量的差值 e （k ），按照 PID 控制器整定的參數完成離散式PID 控制，判斷偏差允許范圍內細微調整PWM 占空比調節(jié)流量，保證系統(tǒng)處于負反饋穩(wěn)定運行狀態(tài)，實現(xiàn)流量精準控制。

5 實驗驗證

通過對除冰控制系統(tǒng)軟硬件設計上進行多傳感器標定實驗，完成測距、溫度、流量傳感器標定，針對除冰控制系統(tǒng)存在的問題進行軟硬件優(yōu)化設計，對流量進行標定；在系統(tǒng)設計及優(yōu)化基礎上完成裝置整合及設備調試工作，搭建實驗平臺，進行除冰控制裝置的性能測試實驗，完成裝置噴射控制、無線遙控、顯示等功能測試，并對選擇的八旋翼無人機載具進行信號調試，測試其平穩(wěn)性和飛行控制性能。

5.1 傳感器標定實驗

為驗證傳感器實際工作性能，進行傳感器標定實驗，噴射控制系統(tǒng)外圍驅動傳感器包括激光測距傳感器、溫度傳感器等，分別進行標定實驗，得到不同控制量、被控量和需求量等之間的對應關系。

根據實際距離與測量距離數據的標定擬合，得到y(tǒng) =0.9935x +1.397，表明激光測距傳感器室外強光干擾下能正常工作且精度較高；根據實際溫度與采集溫度數據的標定擬合，得到y(tǒng) =0.9906x +0.0873，R2 =0.9996；y =0.9766x +0.8522，R2 =0.9993，表明雙溫度傳感器室外低溫環(huán)境下均能正常工作且精度較高。

5.2 流量測試實驗

5.2.1 最佳除冰預實驗

通過預實驗，觀察不同電壓下除冰劑噴射幅度、形狀等，同時得到直流電機兩端電壓和除冰劑噴射流量的對應關系，如表1 所示。預實驗中確定最佳流量噴射效果下最好的9 V驅動電壓，對應流量1.136 L/min。

5.2.2 流量優(yōu)化測試

完成驅動控制系統(tǒng)軟硬件優(yōu)化設計，對裝置整合實驗測試并完成霍爾流量傳感器標定實驗。優(yōu)化驅動控制系統(tǒng)模塊，支持0.1～100% PWM 范圍，信號頻率0～100 kHz，其中20kHz 最穩(wěn)定，得到20 kHz 下PWM 信號控制標定實驗數據，如表2 所示（電源電壓11.22 V）。由表2 可知，隨著占空比的減小，直流電機兩端電壓逐漸減小，脈沖流量逐漸減小，調節(jié)占空比起到控制電壓的作用，進而控制電機動作，調節(jié)除冰劑流量。不用電壓下，直流電機轉速不同，低占空比信號，控制電壓較低且不穩(wěn)定，電機動作不穩(wěn)定，脈沖數采集變化較大。

在20 kHz PWM 信號控制標定實驗中選擇占空比65%，輸出流量與目標電壓流量的差值通過離散式PID 控制算法的微調，PID 算法的使用可對鋰電池輸入電壓的改變而控制直流電機兩端電壓保持不變，精準控制除冰劑流量，實現(xiàn)最佳除冰效果。

5.3 性能測試實驗

5.3.1 裝置性能測試

整合顯示遙控裝置及噴射控制裝置系統(tǒng)，除冰無人機裝置簡易組裝測試性能，包括除冰劑存儲箱（包括保溫層）、隔膜泵、管路及噴頭連接、噴射控制裝置（包括外圍驅動傳感器，例如激光測距傳感器等）和顯示遙控裝置（遙控按鍵、顯示屏等）等，測試室外環(huán)境下實際工作性能，室外裝置性能實驗如圖9 所示。室外0 ℃下環(huán)境中，50 m 范圍內遙控控制噴射關停均正常工作且反應靈敏，可控制除冰劑噴射完成覆冰葉片的除冰操作。

5.3.2 無人機飛行測試

選擇八旋翼無人機作為載具，進行除冰作業(yè)前先檢查各模塊連線，電池供電，完成遙控器校準、飛行模式以及安全距離等初始化設置，選擇晴朗天氣、微風情況下進行無人機試飛，如圖10 所示。無人機平穩(wěn)飛行可作為載具進行后續(xù)整合，完成除冰作業(yè)。

6 結 論

1）本文主要基于STM32 和C 語言的軟硬件系統(tǒng)開發(fā)，針對以內蒙古為代表的北方高寒地區(qū)風電機組葉片覆冰問題，提出并研究實驗風力發(fā)電機葉片的無人機除冰控制系統(tǒng)，為實現(xiàn)除冰作業(yè)目的，完成了軟硬件設計、設備選型、系統(tǒng)優(yōu)化、實驗測試等工作。

2）完成了除冰無人機控制系統(tǒng)軟硬件設計，包括顯示遙控系統(tǒng)和噴射控制系統(tǒng)，系統(tǒng)整合初步測試，滿足作業(yè)基本功能，即無線遙控噴射控制、數據采集顯示等。完成除冰控制PWM 噴射模塊的驅動控制部分進行軟硬件系統(tǒng)優(yōu)化設計，PWM 大功率直流電機驅動板和負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)的離散式PID 控制算法結合，實現(xiàn)隔膜泵直流電機兩端輸入電壓穩(wěn)定和除冰劑流量的精準控制。

3）搭建除冰控制系統(tǒng)實驗平臺。除冰控制系統(tǒng)軟硬件及優(yōu)化設計基礎上完成除冰控制裝置整合及系統(tǒng)調試，選擇八旋翼無人機載具并進行了初始化等參數設置及飛行控制測試，完成了多傳感器室內外標定實驗、除冰控制裝置室外控制、距離、顯示等性能試驗、無人機飛行測試與安全控制實驗等，最終完成整個除冰無人機設備整合，實現(xiàn)局部除冰控制作業(yè)。

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［19］ 聶茹. 基于STM32F103C8T6的植保無人機設計［J］. 自動化技術與應用， 2020， 39（8）： 20-24.

NIE R. Design of plant protection UAV based onSTM32F103C8T6［J］. Techniques of automation andapplications， 2020， 39（8）： 20-24.

［20］ 張泉勇. 基于神經網絡的植保無人機變量噴霧系統(tǒng)設計［D］. 廣州： 華南農業(yè)大學， 2019.

ZHANG Q Y. Design of plant protection uav variable spraysystem based on neural network［D］. Guangzhou： SouthChina Agricultural University， 2019.

基金項目：內蒙古自治區(qū)科技計劃攻關項目（2020GG0314）