孫小霞

【摘 要】無人機現(xiàn)如今對大眾來說已經(jīng)不再是新鮮事物，在無人機被推向商業(yè)化熱潮以后，特殊行業(yè)對無人機操作的形式高度關(guān)注了起來。特別是如今國內(nèi)的高壓電網(wǎng)線路巡檢上也對此十分重視，因為無人機能讓整個高壓電力巡檢工作的效率得到大幅度提升。為了確保無人機電力巡檢工作的高效且穩(wěn)定，相關(guān)工作人員對無人機飛行控制系統(tǒng)的操作環(huán)境進行了相應的研究設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】無人機;控制系統(tǒng);環(huán)境;電力巡檢

中圖分類號： TP273;V249;V279 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）26-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.26.006

【Abstract】Uav is no longer a new thing for the public.After the commercialization of uav，special industries pay close attention to the operation of uav.Especially nowadays，the inspection of high-voltage power grid lines in China also attaches great importance to this，because drones can greatly improve the efficiency of the whole inspection of high-voltage power.In order to ensure the efficiency and stability of uav power patrol inspection，relevant staff have studied and designed the operating environment of uav flight control system.

【Key words】Uav;Control system;The environment;Electric power inspection

0 引言

電力安全巡檢采用無人機操作，重點是對特高壓和高壓部分進行應急處置以及日常的安全維護，是對無人機傳感器電力巡檢系統(tǒng)的裝備研究，把無人機安全巡檢作業(yè)在復雜的地形及環(huán)境中完美的完成，從而對我國電網(wǎng)安全以及高壓巡檢的發(fā)展起到輔助作用。目前根據(jù)無人機工作的環(huán)境和操作的平臺，將無人機傳感器系統(tǒng)的各項指標把控限制的十分嚴格，力求能提高其精度，降低其功耗，使其啟動的更快并且更具有可靠性。

1 無人機電力巡檢的意義以及背景

撲翼、旋翼以及固定翼三種類型是無人機最常見的分類，這三種類型中的旋翼又被區(qū)分為多旋或是單旋。在眾多種類中，由于多旋無人機簡單的結(jié)構(gòu)與控制靈活的特性，并且能定點懸停在空中，操作上十分簡便，而效率也比其他類型的無人機要高出不少，因此是各領(lǐng)域首選的研究機型。而且就目前的狀態(tài)來看，多旋無人機在各領(lǐng)域所發(fā)揮的作用是十分巨大并且非常有意義的。首先在農(nóng)林業(yè)噴灑藥物上就得到很大的認可，畢竟使用無人機進行農(nóng)藥噴灑會更加均勻，能充分利用好農(nóng)藥達到更高的防治效果，從而減少了不少農(nóng)藥的浪費并降低了成本。而在地理測繪方面，也能做到更精準的定位與繪制，三維建模等相對復雜的部分也能完成的更出色。更不用說是在電力方面發(fā)揮的作用了。相關(guān)人員對電力巡檢環(huán)境與地理的特殊性對多旋無人機進行了針對性的研究與改進，使無人機通過自身裝備的GPS和照相機來自定位完成線路的巡檢，還將巡檢的內(nèi)容全程拍攝并傳送回相關(guān)人員處。這樣相關(guān)人員就能通過照片和影響就能對線路存在的問題進行分析與生成解決方案，并針對方案盡快將問題進行處理。這樣不僅很大程度的節(jié)省了線路巡檢時間，還將人工巡檢的各種安全隱患的發(fā)生最大化的降低。

2 無人機作業(yè)的現(xiàn)狀以及存在的部分問題

在多旋飛行器的研究上國內(nèi)涉足的相比其他國家晚了不少，但是發(fā)展的步伐十分穩(wěn)定且迅速?，F(xiàn)如今除了各大高校開始涉足無人機的研究之外，無人機公司也逐漸多了起來。即使人們非常注重無人機的研究與改進，其在各領(lǐng)域發(fā)揮的作用也巨大無比，但還是難免存在著一些不足之處。就像無人機在進行電力巡檢的過程中，如果電磁磁場因環(huán)境的復雜導致不穩(wěn)定，無人飛行器的磁力計也會受到很大的影響，便無法保證無人機在線路巡檢過程中的安全性。還有就是飛行器運行速度相對較高，所以慣性自然非常大，因此在避障方面的難度是不小的，這避障方面的問題得不到解決，自然就會將無人機巡航的危險升高，因此對無人機自動避障以及主動屏蔽錯誤指令的研究就顯得十分關(guān)鍵。因此要根據(jù)操作環(huán)境與無人機本身的結(jié)構(gòu)特性進行研究改進，從而使無人機在各領(lǐng)域使用過程中，各項指標與最終成果更加的成熟和穩(wěn)健起來。

3 多旋無人機系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

無人機的系統(tǒng)主要有三大部分，分別是飛行控制系統(tǒng)以及動力、機械系統(tǒng)。其中飛行控制系統(tǒng)是無人機進行線路巡檢是最主要的部分，這部分對無人機來說相當于大腦對人類的作用。目前飛行控制系統(tǒng)有公司或者學者們開源的飛控，還有就是商業(yè)公司進行設(shè)計生產(chǎn)出來的飛控。而無人機機械系統(tǒng)指的就是機身以及起落架等肉眼可觀，雙手可觸碰的各個部分了。此外動力系統(tǒng)就是無人機的電子調(diào)試器和電機等等。但除了這些，在無人機進行電力巡檢的過程中主要依仗的是飛行平臺系統(tǒng)以及多傳感器系統(tǒng)，還有需要依靠可視化系統(tǒng)以及走廊三維建模等系統(tǒng)的組合，通過這些系統(tǒng)的程序運作與數(shù)據(jù)調(diào)換以及外部數(shù)據(jù)的獲取、調(diào)換的設(shè)置，來完成巡檢工作。在進行巡檢工作的時候，無人飛行器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能否如實準確地采集到載機運行的信息，是對無人機巡檢能否更高效工作產(chǎn)生直接影響的，為此在光纖IMU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計上進行了反復研究測試。目的是使其在采集與傳輸工作中能更加準確高效地完成。

4 無人飛行器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計模式

無人機在巡檢工作中能夠平穩(wěn)安全的飛行，并把相應的數(shù)據(jù)進行獲取和準確的運輸?shù)皆搨魉偷牡胤饺ィ请x不開飛行控制系統(tǒng)的運作的。而飛行控制系統(tǒng)又是依靠傳感器來進行信息的采集與反饋。就是因為整個無人機的各系統(tǒng)與模塊聯(lián)系地如此緊密，一旦有其中一部分出現(xiàn)問題就會導致整個無人機的工作出現(xiàn)偏差，甚至出現(xiàn)不安全事件，因此要對無人機的各項系統(tǒng)程序與模塊進行研究，根據(jù)環(huán)境與工作的需求進行改進與優(yōu)化。就像其中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作，主要就是數(shù)據(jù)同步、采集與傳送這樣一個運行模式。為了達到在短時間內(nèi)的高精確度要求，就需要對慣性系統(tǒng)進行更精確以及更高頻的研究改良，這其中可編程的邏輯器件便是最佳選擇。因其不僅核心率高，運行速度也極高，對高頻信號的采集可以輕松完成，能夠大規(guī)模地進行系統(tǒng)設(shè)計。而且其可以并行運行內(nèi)部的程序，并將多種不同任務(wù)進行同步的處理，并將數(shù)據(jù)采樣的速率提高了上去。與此同時，硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)是通過PCB板設(shè)計，因為其可靠以及靈活性也是很強，所以FPGA軟件常被應用為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心點。

5 實現(xiàn)系統(tǒng)軟件與硬件

5.1 FPGA脈沖采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

光纖慣性組件中的光纖陀螺和溫度輸出等結(jié)構(gòu)是屬于脈沖信號部分，因此必須要通過FPGA的計數(shù)電路設(shè)計來實現(xiàn)脈沖信號的采集工作。畢竟脈沖信號的采集先獲得了實現(xiàn)，再將溫度與加速度計信號等通過通用串口的形式與上位機進行輸出通信，才能使上位機數(shù)據(jù)的儲存與采集通過相應的軟件來實現(xiàn)。而其中小應用系統(tǒng)中還包含些許問題，也就是熟知的配置電阻以及電源、儲存器等問題也需要被關(guān)注。

5.2 溫度采集方面的電路設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的部分就是溫度采集線路，因其光纖IMU對于溫度上的感知十分靈敏，畢竟慣性儀表的標度因數(shù)以及零偏會跟隨環(huán)境的溫度變化而改變，并能對器件的輸出精度造成最直接的影響。也就是以說不管是地勢的高低險峻還是四季環(huán)境溫度的變化，都會引起無人機進行電路安全巡檢時內(nèi)部溫度的轉(zhuǎn)變，對數(shù)據(jù)輸出的精確度也造成了不小的影響。因此就要將采集數(shù)據(jù)板以及加速度計等周邊環(huán)境的溫度進行控制，還要做好軟件在進行工作處理時的溫度補償。

5.3 無人飛行器數(shù)據(jù)通信的電路設(shè)計

數(shù)據(jù)輸出與時間同步模塊同屬于數(shù)據(jù)輸出的部分，其中將加速度計以及陀螺數(shù)據(jù)如實并精準的傳送給上位機的部分就是數(shù)據(jù)輸出模塊的職責，而GPS和IMU的時間同步，以及將GPS里的PPS秒脈沖當作基本的是時間參考發(fā)送給IMS，再將IMS的IPS進行同步輸出來確保兩者數(shù)據(jù)的同步性工作就隸屬于時間同步模塊。而時間以RS422接口形式進行數(shù)據(jù)通信電路的就是時間模塊的工作，其采用的ASCII碼形式把加速度計以及溫度數(shù)據(jù)用串行接口跟上位機對接起來，然后上位機會使用其數(shù)據(jù)采集軟件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)上的儲存、接受及解碼。另一方面通訊電路則是由發(fā)送還有波特率產(chǎn)生相結(jié)合運作。其中波特率產(chǎn)生使分頻生成通信所需的波特率是要通過外接25MHz的無源晶振來實現(xiàn)的，從而連同波特率時鐘一起實現(xiàn)。而其中的發(fā)送模塊是以RS422采用相應的芯片來保持GPS的時間同步，并依靠IMU來將所有數(shù)據(jù)運輸?shù)缴衔粰C中，以此來確保數(shù)據(jù)的傳輸與接受的準確、可靠和高效性。

5.4 復雜環(huán)境磁場的抗磁性設(shè)計及實現(xiàn)

無人機發(fā)展的勢頭越是迅猛，對其高效與安全方面的要求就越是嚴格。但是由于高壓與超高壓線路周圍的磁場會根據(jù)地勢環(huán)境與溫度的改變而造成不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象又對無人機磁力計造成直接的影響，會容易影響解算結(jié)果使無人機無法順利運行。因此，現(xiàn)階段只能搭載相機結(jié)合紅外線進行遠程巡檢。為了能改善這種現(xiàn)狀，便對雙天線的定位測向系統(tǒng)進行研究、實驗并引用，這種系統(tǒng)能夠更好地校正航線，提高了無人機的抗干擾性，并使巡檢過程更具有安全性。

6 結(jié)束語

針對高壓線路安全巡檢的特性對無人機進行研究與更新，對我國的電網(wǎng)巡檢發(fā)展起著重大的輔助作用。因此在研究過程中，要將每個部分與系統(tǒng)進行詳細的分析與改進，并時刻進行檢修與維護，及時找到無人機巡檢過程中各系統(tǒng)運作的優(yōu)勢與問題，及時進行調(diào)整，最大程度地保證電路巡檢的安全性與工作的高效性。

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