王博文,劉興東

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430064)

1 引言

近年來(lái)使用無(wú)人機(jī)(UAVs)進(jìn)行輸電線路巡檢引起了相關(guān)領(lǐng)域的高度重視。使用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)或攝像頭在輸電線路巡檢中可以提高檢測(cè)精度和效率。而在各類(lèi)無(wú)人機(jī)中，由于四旋翼直升機(jī)獨(dú)特的無(wú)跑道著陸/起飛，盤(pán)旋和自由飛行特性，易于攜帶和輕便性，所以是執(zhí)行此任務(wù)的絕佳工具。

如今已有大量文獻(xiàn)關(guān)注此問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]在一個(gè)傳輸線場(chǎng)景提出了使用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的分類(lèi)方法。文獻(xiàn)[2-4]介紹了輸電線路巡檢方法，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)傳感器硬件。文獻(xiàn)[5]使用了激光雷達(dá)和立體視覺(jué)的組合用于旋翼機(jī)無(wú)人機(jī)障礙物的避免。文獻(xiàn)[6]在路徑規(guī)劃提出了避障方法。文獻(xiàn)[7]提出使用相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)高傳輸線高效圖像分割方法。文獻(xiàn)[8]介紹一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的輸電線路巡檢系統(tǒng)。

輸電線路巡檢在無(wú)人機(jī)上使用激光雷達(dá)或攝像機(jī)已經(jīng)被廣泛研究。然而，四旋翼無(wú)人機(jī)在輸電線路巡檢中的一般應(yīng)用是利用安裝在四旋翼無(wú)人機(jī)本體上的攝像機(jī)跟蹤預(yù)定路徑點(diǎn)產(chǎn)生的軌跡，拍攝圖像或視頻。視頻記錄的圖片只能在任務(wù)完成后離線分析，拍攝的視頻也被先發(fā)送到地面站，再通過(guò)使用遠(yuǎn)程控制器進(jìn)行避障和軌跡修剪，使其更容易與無(wú)人機(jī)進(jìn)行交互。但是這種方法由于高質(zhì)量的實(shí)時(shí)視頻傳輸對(duì)帶寬和電磁場(chǎng)的要求非常高，使得四旋翼無(wú)人機(jī)在傳輸線附近的操作非常困難，限制了此類(lèi)應(yīng)用的范圍。所以需要設(shè)計(jì)一種高性能的硬件和傳輸線探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)在輸電線路巡檢時(shí)的實(shí)時(shí)自主跟蹤。

2 硬件設(shè)計(jì)

四旋翼無(wú)人機(jī)模型如圖1所示。配備4個(gè)無(wú)刷轉(zhuǎn)子，75cm的轉(zhuǎn)子直徑，采用22.2V、22000mah兩個(gè)鋰離子電池，提供最大2kg有效載荷，飛行時(shí)間60分鐘。

圖1 四旋翼無(wú)人機(jī)模型

為了將無(wú)人機(jī)升級(jí)到自主飛行系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并安裝了外部航空電子系統(tǒng)。系統(tǒng)安裝了一些傳感器和設(shè)備，包括高精度IMU、Novatel OEM617雙天線差分GPS、Velocyne DLP16激光雷達(dá)掃描儀、自制無(wú)線數(shù)據(jù)鏈等。原廠遙控系統(tǒng)預(yù)留了備份和危險(xiǎn)規(guī)避。四旋翼無(wú)人機(jī)的傳輸線檢測(cè)電子學(xué)圖如圖2所示。

圖2 四旋翼無(wú)人機(jī)的傳輸線檢測(cè)圖

無(wú)人機(jī)中的航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩級(jí)結(jié)構(gòu)。較高級(jí)別稱(chēng)為飛行控制器，它基于一個(gè)運(yùn)行在1.5GHz的三星CPU板，帶有8GB閃存和2GB 存取內(nèi)存。處理器還包括一些外部接口資源，如通用串行總線(USB)樞紐、以太網(wǎng)接口、通用異步接收發(fā)送器(UART)接口等。飛行控制器的航空電子設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)航空電子設(shè)備的硬件架構(gòu)

根據(jù)原飛行器平臺(tái)安裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求，更新頻率選擇為500Hz。每個(gè)更新周期的全時(shí)間為2ms，這樣處理器就足夠快，這使得它能夠處理所有的計(jì)算任務(wù)，包括傳感器融合和控制律計(jì)算。但是這種處理器由于其有限的低電平，不足以處理其他任務(wù)，包括讀取傳感器和產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的低電平輸入/輸出(I/O)并行數(shù)字模塊，包括傳感器讀取和預(yù)處理、PWM信號(hào)捕獲、輸入信號(hào)封裝、PWM產(chǎn)生等。選用AlteraTM CycloneⅢ系列FPGA，運(yùn)行在50MHz，提供196個(gè)獨(dú)立的I/O口，足以處理上述任務(wù)。上級(jí)處理器與下級(jí)數(shù)字I/O之間的數(shù)據(jù)鏈波特率為每秒115200bit。

3 軟件設(shè)計(jì)

在無(wú)人機(jī)的處理器部分，選擇C++作為編程語(yǔ)言。程序采用多線程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中包括3個(gè)優(yōu)先級(jí)不同的線程。主線程包括傳感器融合、控制器計(jì)算、航路點(diǎn)生成和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理等功能模塊。I/O數(shù)據(jù)收發(fā)的子線程是最高優(yōu)先級(jí)，它包含對(duì)時(shí)延敏感的同步時(shí)鐘信息。GPS數(shù)據(jù)線和地面站命令線由于處理優(yōu)先級(jí)要求較低，優(yōu)先級(jí)較低。一旦收到完整的I/O數(shù)據(jù)幀，就會(huì)觸發(fā)主定時(shí)器，并順序執(zhí)行功能塊。此外，下層線程的數(shù)據(jù)被更新并存儲(chǔ)在相關(guān)的堆棧中，等待主線程訪問(wèn)。飛行控制器軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 飛行控制器軟件架構(gòu)圖

在I/O數(shù)據(jù)處理部分，由于實(shí)時(shí)性的要求，采用FPGA設(shè)計(jì)了兩個(gè)數(shù)據(jù)總線。該串行總線用于與A9處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為了避免丟失數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)緩沖區(qū)來(lái)接收來(lái)自A9處理器的串行數(shù)據(jù)，該緩沖區(qū)可以獨(dú)立地進(jìn)行緩存。進(jìn)一步設(shè)計(jì)了并行總線來(lái)處理采集傳感器數(shù)據(jù)、從R/C接收機(jī)和超聲模塊捕獲的PWM信號(hào)、產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)等任務(wù)。并行總線上的任務(wù)可以獨(dú)立工作，系統(tǒng)時(shí)鐘最高可達(dá)500Hz。收集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在輸出堆棧中。I/O模塊的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 I/O模塊的軟件結(jié)構(gòu)

作為硬件和軟件設(shè)計(jì)的總結(jié)，執(zhí)行時(shí)間分別由各個(gè)層次來(lái)衡量。整個(gè)信號(hào)捕獲時(shí)間，包括傳感器讀取和PWM信號(hào)的捕獲，以及PWM信號(hào)的產(chǎn)生，低于0.3ms，通信時(shí)間低于0.2ms。此外，傳感器融合和控制器計(jì)算的時(shí)間可以減少到1ms以內(nèi)。這樣在一個(gè)周期內(nèi)總執(zhí)行時(shí)間小于1.5ms，為先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合和控制策略提供了足夠的能力。

4 卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)

卡爾曼濾波是一種有效的噪聲數(shù)據(jù)濾波和高性能融合方法[9]，本文針對(duì)激光雷達(dá)原始數(shù)據(jù)噪聲嚴(yán)重、不連續(xù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種用于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的離散卡爾曼濾波器。狀態(tài)方程如下所示。

(1)

(2)

其中,Px，Py和Pz分別代表位置，Vx，Vy和Vz分別代表速度。

第k次迭代的測(cè)量方程為:

(3)

離散卡爾曼濾波可以表示為：

(4)

5 飛行試驗(yàn)

利用四旋翼無(wú)人機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)際飛行試驗(yàn)。設(shè)置了預(yù)定路徑點(diǎn)，使四旋翼飛行器能夠在輸電線路上方飛行。為了評(píng)估樣機(jī)的性能，選擇了單根傳輸線的場(chǎng)景。首先，將四旋翼無(wú)人機(jī)手動(dòng)操作到靠近一條電源線的位置，然后無(wú)人機(jī)開(kāi)始跟隨檢測(cè)到的傳輸線飛行，將收集到的數(shù)據(jù)被送往地面站。圖6給出了傳輸線檢測(cè)和跟蹤的重構(gòu)數(shù)據(jù)。可以看出，原型系統(tǒng)能夠正常工作，成功地檢測(cè)到了輸電線路并跟蹤了它。

圖6 處理過(guò)的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波后的傳輸線被四旋翼無(wú)人機(jī)成功捕獲并繪成黑線

6 結(jié)論

本文利用四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)了一套輸電線路實(shí)時(shí)自主跟蹤巡檢系統(tǒng)，并安裝了雙天線GPS、激光掃描儀和飛行處理器。飛行處理器軟件設(shè)計(jì)為兩級(jí)，下層用于傳感器數(shù)據(jù)采集，上層用于控制律計(jì)算和濾波。利用卡爾曼濾波器從GPS和激光掃描儀獲取傳輸線的位置，產(chǎn)生相對(duì)位置、速度和航向，進(jìn)行了實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性。在今后的工作中，將設(shè)計(jì)一種新的算法來(lái)同時(shí)檢測(cè)多條線路。并將控制器設(shè)計(jì)在其中考慮外部擾動(dòng)的先驗(yàn)知識(shí)，這樣就可以獲得魯棒跟蹤性能。