李寧，李波，馬聰惠，郭瑞紅，蔣學(xué)平

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，寧夏銀川 750011；2.合肥偌天電氣科技發(fā)展有限公司，安徽合肥 231131）

0 引言

傳統(tǒng)的電力設(shè)施巡檢技術(shù)受線路環(huán)境和地形影響存在巡檢效率低、人員安全風(fēng)險(xiǎn)大等問題，促進(jìn)了無人機(jī)在電力設(shè)施巡檢方面的迅速發(fā)展[1-3]。目前無人機(jī)開展電力設(shè)施巡檢作業(yè)時(shí)，需要專業(yè)飛手控制或者依賴固定機(jī)巢實(shí)現(xiàn)自主巡檢作業(yè)[4-6]。人工操作無人機(jī)進(jìn)行電力設(shè)施巡檢作業(yè)嚴(yán)重依賴飛手的個(gè)人能力，采用固定機(jī)巢的方式可以解決人員需求的問題，但固定機(jī)巢成本高，機(jī)巢兼容性差，未能在變電站領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主變電站巡檢作業(yè)，本文設(shè)計(jì)一款無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺，將固定機(jī)巢的功能融合進(jìn)無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺。設(shè)計(jì)的無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺相比于固定機(jī)巢具有費(fèi)用低，操控靈活，不受外界因素影響，方便將無人機(jī)運(yùn)輸至指定起飛位置，可以提高巡檢無人機(jī)的續(xù)航能力。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為提高無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的定位精度，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)路徑的精準(zhǔn)可靠，本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺采用載波相位差分技術(shù)，又稱實(shí)時(shí)動態(tài)差分（real time kinematic，RTK）定位技術(shù)。轉(zhuǎn)運(yùn)平臺分為轉(zhuǎn)運(yùn)平臺控制系統(tǒng)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)及無人機(jī)歸中裝置。轉(zhuǎn)運(yùn)平臺控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)平臺的行走功能，定位導(dǎo)航系統(tǒng)負(fù)責(zé)定位和路徑規(guī)劃，兩部分通過串口通信完成對轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的控制，同時(shí)設(shè)計(jì)了無人機(jī)的歸中裝置。系統(tǒng)的整體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體構(gòu)成

1.1 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的輪轂采用麥克納姆輪，可以實(shí)現(xiàn)平臺的直行、橫行、斜行及原地轉(zhuǎn)彎等行進(jìn)方式，使得轉(zhuǎn)運(yùn)平臺運(yùn)動更加靈活。由于麥克納姆輪具有點(diǎn)動微調(diào)的功能，可以滿足高精度定位及軌跡跟蹤的要求。為實(shí)現(xiàn)對平臺的控制，主控芯片采用ATmega2560，此款MCU含有10路PWM輸出端口滿足對轉(zhuǎn)運(yùn)平臺運(yùn)動的控制，含有4 路串口滿足通信功能，控制系統(tǒng)硬件如圖2所示。

圖2 硬件控制系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)運(yùn)平臺多種行進(jìn)方式的控制，需要正確安裝麥克納姆輪和控制多輪組合運(yùn)動，同一側(cè)麥克娜姆安裝要按照內(nèi)八形式安裝，麥克娜姆輪正確安裝如圖3所示。

圖3 麥克娜姆輪安裝結(jié)構(gòu)

多輪組合實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動方式，不同組合方式運(yùn)動方向如圖4所示。

圖4 平臺運(yùn)動方式

由圖4 可知要實(shí)現(xiàn)平臺多種運(yùn)行方式需要4個(gè)麥克納姆輪配合控制。為實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的靈活控制，軟件系統(tǒng)在完成初始化操作后，平臺處于停止?fàn)顟B(tài)，MCU 處于運(yùn)行方式指令接收狀態(tài)。當(dāng)MCU 接收到新的指令，需要判斷此指令是否是結(jié)束指令，如若是結(jié)束指令則平臺結(jié)束運(yùn)行，否則根據(jù)接收到的新指令控制平臺執(zhí)行對應(yīng)的控制指令。

1.2 RTK定位導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS 是日常生活中常見的定位方式，但是由于GPS存在較大定位誤差的缺點(diǎn)使其在高精度定位場合無法使用[7-8]。所設(shè)計(jì)的巡檢無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺對定位精度要求較高，為此系統(tǒng)選擇RTK 定位系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 RTK定位系統(tǒng)原理

RTK是根據(jù)GPS定位系統(tǒng)提出的相對定位的概念，此定位方式下需要放置一臺接收機(jī)在已知點(diǎn)，即稱為基站；另一臺接收機(jī)放置在設(shè)計(jì)的移動平臺，即巡檢無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺。在RTK 定位模式下，基站和流動站同步采集定位數(shù)據(jù)，RTK 基站將采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳模塊將觀測值和基站站點(diǎn)坐標(biāo)傳送至流動站，流動站利用相對定位原理對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，即可獲得厘米級定位結(jié)果[9-11]。

本文選用的RTK 模塊可以輸出$GPGGA、$PTNL,PJK 及$GPTRA 數(shù)據(jù)幀，通過對上述三種數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，可以得到經(jīng)緯度信息、大地坐標(biāo)信息及航向角信息。為了計(jì)算的簡便性，本系統(tǒng)運(yùn)用大地坐標(biāo)和航向角作為路徑導(dǎo)航的關(guān)鍵信息。使用RTK 定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)厘米級定位誤差，使用此定位系統(tǒng)可以使無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺運(yùn)行路徑更加精確。

2 導(dǎo)航定位算法設(shè)計(jì)

通過對RTK 數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，可以獲得當(dāng)前位置的大地坐標(biāo)和航行角大小。在大地平面坐標(biāo)系中，RTK 的坐標(biāo)軸是以X軸正方向?yàn)檎狈较?，Y軸的正方向?yàn)檎龞|，正北方向是航向角0o，順指針旋轉(zhuǎn)航向角逐漸增大，航向角的范圍為0o≤β＜360o。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能首先需要確定該運(yùn)行路徑的標(biāo)識點(diǎn)，通過對標(biāo)識點(diǎn)連線獲得兩點(diǎn)的航向角和直線運(yùn)動方程，即可實(shí)現(xiàn)路徑導(dǎo)航功能。

2.1 航向角的計(jì)算

由于RTK 解析出的航向角范圍為0o≤β＜360o，為此需要將計(jì)算出的航向角根據(jù)實(shí)際航向轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的角度。航向角計(jì)算流程如圖6所示。

圖6 航向角計(jì)算流程

本系統(tǒng)航向角的計(jì)算分為三大部分：1）大地坐標(biāo)Y和X是正向比例關(guān)系；2）大地坐標(biāo)Y和X是反向比例關(guān)系；3）航線與坐標(biāo)軸平行。

1）在第一種情況下航向角的范圍如式（1）所示。

式中：β1為第一種情況下的航向角范圍。

相鄰兩航點(diǎn)符合第一種關(guān)系時(shí)，計(jì)算出的k＞0；當(dāng)（X1＜X2 且Y1＜Y2）時(shí)，航向角為0o～90o，計(jì)算atan（k）即可得出實(shí)際的航向角。當(dāng)（X1＞X2 且Y1＞Y2）時(shí)，航向角為180o～270o，計(jì)算atan(k) + π可得實(shí)際航向角。

2）第二種情況下航向角的范圍如式（2）所示。

式中：β2為第二種情況下的航向角范圍。

相鄰兩航點(diǎn)符合第一種關(guān)系時(shí)，計(jì)算的k＜0；當(dāng)（X1＞X2且Y1＜Y2）時(shí)，航向角為90o～180o，計(jì)算公式如式（3）所示。

當(dāng)（X1＜X2且Y1＞Y2）時(shí)，航向角為270o～360o，計(jì)算公式如式（4）所示。

式中：k為地理坐標(biāo)兩點(diǎn)間的斜率。

3）第三種情況下航向角的范圍如式（5）所示。

式中：β3為第三種情況下的航向角。

通過計(jì)算兩坐標(biāo)點(diǎn)的X軸或Y軸坐標(biāo)是否相等及兩坐標(biāo)大小確定航向角的大小。在計(jì)算航向角的同時(shí)把計(jì)算出的斜率k值保存，同時(shí)計(jì)算出兩點(diǎn)直線方程的截距b進(jìn)行保存。

2.2 導(dǎo)航設(shè)計(jì)

上述航向角計(jì)算中根據(jù)保存的航點(diǎn)可以計(jì)算出任意兩點(diǎn)的航向角、k值及b值。將轉(zhuǎn)運(yùn)平臺放置在起始航點(diǎn)，開啟航點(diǎn)循跡功能。轉(zhuǎn)運(yùn)平臺首先調(diào)整航向角，航向角調(diào)整正確后，在前進(jìn)中獲取RTK 流動站大地坐標(biāo)X和Y值，將X坐標(biāo)帶入當(dāng)前航點(diǎn)線性方程中求取理論Y值，對比理論Y值和實(shí)際Y值誤差是否大于設(shè)定誤差，如若大于設(shè)定的偏差值控制轉(zhuǎn)運(yùn)平臺在運(yùn)行中向誤差小的方向移動。當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺到達(dá)某一航點(diǎn)，判斷是否到達(dá)終點(diǎn)，如若到達(dá)終點(diǎn)需要停止運(yùn)行，將巡檢無人機(jī)放飛，否則將航向角調(diào)整至下一航線的航向角并繼續(xù)運(yùn)行。轉(zhuǎn)運(yùn)平臺巡航設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺巡航流程

3 無人機(jī)柔性歸中裝置設(shè)計(jì)

本巡檢無人機(jī)選用的是精靈Phantom 4 RTK，此款無人機(jī)集成了全新的RTK 模塊，具有更精準(zhǔn)的定位能力，在無人機(jī)返航時(shí)可以利用無人機(jī)本身掃碼降落功能將無人機(jī)降落在指定的轉(zhuǎn)運(yùn)平臺位置。由于無人機(jī)降落時(shí)存在誤差，很難降落在轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的中心位置，現(xiàn)有的無人機(jī)歸中裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積大，為此本文設(shè)計(jì)了無人機(jī)柔性歸中裝置，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 無人機(jī)歸中裝置結(jié)構(gòu)

無人機(jī)柔性歸中裝置由四個(gè)伸縮拉線盒固定在平臺四個(gè)角，碳素纖維線將伸縮拉線盒連接并與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)槽固定。步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)在碳素纖維線和伸縮盒的作用下可以將無人機(jī)歸中至平臺中心位置，此狀態(tài)下無人機(jī)被固定可以方便轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的運(yùn)輸；步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)將伸縮拉線盒復(fù)位至原先位置，此狀態(tài)下可以將無人機(jī)放飛。圖9所示為無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺實(shí)物圖。

圖9 無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺實(shí)物圖

4 效果驗(yàn)證

由于該無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺使用的RTK 導(dǎo)航系統(tǒng)基站的通訊距離在5 km 以內(nèi)，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺在基站所能覆蓋的范圍內(nèi)都可正常運(yùn)行。為了驗(yàn)證導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度及無人機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)效果，將標(biāo)記有白線的路徑設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的運(yùn)行路徑，在實(shí)際運(yùn)行過程中無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺偏移白色標(biāo)記線的誤差驗(yàn)證導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差在±30 cm 內(nèi)。由于設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)運(yùn)平臺采用大容量鋰電池供電，經(jīng)過實(shí)際測試轉(zhuǎn)運(yùn)平臺持續(xù)運(yùn)行時(shí)間在5 h 內(nèi)。相比于固定機(jī)巢可以提升巡檢無人機(jī)的續(xù)航能力，同時(shí)也解決了固定機(jī)巢受安裝位置影響的因素。

5 結(jié)論

針對電力巡檢無人機(jī)固定式機(jī)巢存在的弊端，運(yùn)用機(jī)器人平臺構(gòu)建了移動式無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺，結(jié)合RTK 導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的精準(zhǔn)定位，研制了柔性歸中裝置實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的歸中作業(yè)，最終解決了固定機(jī)巢存在的局限性問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)運(yùn)平臺可以按照設(shè)定的航點(diǎn)精準(zhǔn)運(yùn)動，歸中裝置可以有效將無人機(jī)歸中，導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差在±30 cm 內(nèi)。后期結(jié)合無人機(jī)機(jī)庫開展多機(jī)型無人機(jī)多站點(diǎn)電力設(shè)施無人機(jī)巡檢作業(yè)，可以進(jìn)一步拓展無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的應(yīng)用價(jià)值。