侯力楓，宋新利，季 寧，魯 杰，席海闊，范士清，柴振華，劉明輝，李 壯

（國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000）

0 引言

為了保證架空輸電線路的安全穩(wěn)定運行，輸電線路需要定期進行巡檢，及時發(fā)現(xiàn)線路存在的隱患和缺陷［1-2］。隨著架空輸電線路長度不斷增長，傳統(tǒng)人工巡視難以滿足需求，近年來無人機和機器人等新技術不斷應用在電力系統(tǒng)中，極大提高了輸電線路的巡檢效率、缺陷的識別率和準確度、故障位置的精確查找等。電能通過架空輸電線路進行傳輸，其運行狀態(tài)影響著電能輸送的質(zhì)量，如何實現(xiàn)輸電線路高效、準確、經(jīng)濟的運維水平，從而確保電網(wǎng)的可靠性是首要目標［3-4］。由于電網(wǎng)運行在自然環(huán)境里，受到環(huán)境中各種因素的影響，容易引起金具缺失、導線斷股、絕緣子發(fā)熱等隱患。當線路帶電運行過程中，為了及時消除線路隱患，同時確保人員安全的條件下，采用無人機和機器人的模式，可以實現(xiàn)線路的帶電作業(yè)［5-6］。

通過上面的分析，結合無人機和機器人兩種新型技術，實現(xiàn)輸電線路的自主巡檢，是輸電線路巡檢的發(fā)展趨勢，該技術可以進行線路隱患的帶電排查及治理，對于線路的安全穩(wěn)定運行具有重要的價值。架空輸電線路智能無人機巡線機器人的研制，以架空輸電線路地線為行駛路徑，包括作為運輸載具的無人機和在地線上行走的巡線機器人，利用獨特設計的裝載接口，以及投放和回收裝置，將兩部分結合在一起，實現(xiàn)無人機自主飛行、機器人自動投放與回收、自主巡視等，如遇跨越塔頭和障礙物等情況，利用無人機將機器人進行運輸跨越，既避免對桿塔本體進行改造，又降低了機器人避障部分機械機構的復雜設計，大大降低機器人的重量與體積。通過攜帶的熱成像組件和帶有激光校準標定的高清晰攝像機對線路實施巡檢，重點對導地線、絕緣子、金具溫度和異常破損檢測。

1 飛控系統(tǒng)

根據(jù)巡線機器人的重量，選擇鯤鵬智匯KPM-28系列無人機平臺，并根據(jù)要求進行相應的定制（如圖1）。KPM-28無人機是鯤鵬智匯為工業(yè)級行業(yè)應用領域打造的六旋翼飛行平臺，該機型采用高比強度復合材料和快速拆裝設計，且配備強勁的動力系統(tǒng)，在續(xù)航時間和載重量方面有顯著優(yōu)勢；開放的SDK和可擴展的結構使得該機型可搭載多種設備，滿足不同領域的應用需求。KPM-28的基本參數(shù)如表1所示。

圖1 無人機平臺Fig.1 UAV platform

表1 KPM28的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of KPM28

飛控系統(tǒng)采用鯤鵬智匯具有獨立知識產(chǎn)權的KP旋翼飛控系統(tǒng)，選用高精度、高可靠性的傳感器系統(tǒng)，結合先進的控制與導航算法，為行業(yè)級無人機提供安全性好、可靠性高、精度高的飛行控制系統(tǒng)。豐富的可擴展接口以及穩(wěn)定的載荷控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)不同用戶的定制化需求。

KP旋翼飛控系統(tǒng)設計了兩個模塊，分別是機載模塊與地面端模塊，如圖2 所示。機載模塊主要包括主控板、通信模塊以及電壓監(jiān)測模塊。主控板是飛控系統(tǒng)的核心部件，其中包括帶有獨立減震結構的IMU、氣壓計和磁力計模塊，再結合GNSS模塊，可實現(xiàn)高精度的導航與控制功能。通信模塊主要通過無線數(shù)傳的方式實現(xiàn)機載端與地面站的通信［7-8］。電壓監(jiān)測模塊可實現(xiàn)對無人機電池電壓的實時監(jiān)測，保障飛行安全。地面站模塊含有兩個模塊，分別是無線Wi-Fi 模塊與GNSS 模塊。其中前者的功能是完成地面站軟件的無線通信連接，具有容易操作的特點。此外，地面站模塊內(nèi)置可充電式的獨立電源，連續(xù)工作時間長達8 h以上。

圖2 KP旋翼飛控系統(tǒng)Fig.2 KP rotor flight control system

2 擾動控制技術分析

針對六旋翼無人機系統(tǒng)，為了達到點對點飛行方式，采用內(nèi)環(huán)操作與外環(huán)操作的模式，該操作模式如圖3 所示。前者實現(xiàn)歐拉角操作模式，后者的作用是實現(xiàn)3個線位移操作模式，并且，能夠輸出期望的歐拉角數(shù)據(jù)，從而完成內(nèi)環(huán)的反饋數(shù)據(jù)［9-10］。

圖3 控制結構圖Fig.3 Control structure diagram

為了方便系統(tǒng)的控制，通過在各控制器里設置PID控制器的模式，從而更好地消除外界干擾與系統(tǒng)噪聲對無人機控制系統(tǒng)的影響，以及無人機投放或者連接機器人帶來的系統(tǒng)變結構干擾，導致系統(tǒng)出現(xiàn)負載突發(fā)擾動過程，本文引入自抗擾控制理論（ADRC）對飛控系統(tǒng)進行設計。如圖4所示為控制器的基本結構。

圖4 加入自抗擾的控制器基本結構Fig.4 The basic structure of the controller with active disturbance rejection

期望指令信息首先經(jīng)過過渡過程的處理，過渡過程的存在主要是為了防止突變信號以及超出無人機機動能力范圍外的指令，對期望信號進行平滑處理，給出合適的參考指令及其微分信號。PID控制器采用的是雙閉環(huán)串聯(lián)式結構，外環(huán)控制目標物理量，內(nèi)環(huán)對目標物理量的速率進行控制，得到PID控制輸出。擾動估計主要將系統(tǒng)未建模部分以及噪聲等統(tǒng)一為擴張狀態(tài)，并通過擴張狀態(tài)觀測器對定義的擴張狀態(tài)進行實時的估計，并對PID控制輸出進行補償，得到最終的控制器輸出。具體實施時，首先將多旋翼等效為1個二階系統(tǒng)：

對于位置和高度控制，系統(tǒng)可表示為以下的一階系統(tǒng)：

式（4）中，xdot表示速度，f(xdot，t)為與速度有關的非線性時變函數(shù)，w(t)為未知干擾，u為控制指令。令系統(tǒng)的表現(xiàn)量a(t) =f(x，t)+w(t)，則可建立以下的擴張一階系統(tǒng)：

對以上擴張系統(tǒng)建立二維擴張狀態(tài)觀測器，其表達式如下：

適當?shù)剡x取參數(shù)β1和β2，擴張狀態(tài)觀測器的狀態(tài)zi(t)可以很好地跟蹤系統(tǒng)的狀態(tài)變量xi(t)，即zi(t) ≈xi(t)。因為擴張狀態(tài)觀測器能夠完成系統(tǒng)狀態(tài)變量的在線分析，于是，能夠設置控制量u補償時所需的表現(xiàn)量a(t)如下：

因此，針對一階非線性不確定對象，便能夠設置成標準線性“積分器串聯(lián)型”對象系統(tǒng)。對于以上轉(zhuǎn)化后的系統(tǒng)，取合適的狀態(tài)誤差，反饋得到u0，其表達式如下：

3 結語

隨著無人機在輸電線路巡檢工作所占比例越來越大，本文選擇鯤鵬智匯KPM-28系列無人機平臺，搭載巡線機器人，充分結合了兩者的優(yōu)勢，對輸電線路巡檢具有一定的價值。通過在各控制器里設置PID控制器的模式，從而更好地消除外界干擾與系統(tǒng)噪聲對無人機控制系統(tǒng)的影響，以及無人機投放或者連接機器人帶來的系統(tǒng)變結構干擾，導致系統(tǒng)出現(xiàn)負載突發(fā)擾動過程，本文引入了自抗擾控制理論（ADRC）對飛控系統(tǒng)進行設計。研究表明，該系統(tǒng)可以快速應對無人機復雜突變引起的擾動，實現(xiàn)無人機的穩(wěn)定控制，確保架空輸電線路智能無人機巡線機器人復合系統(tǒng)的運行穩(wěn)定，充分保證輸電線路的安全。