电力巡检特殊应用环境中无人机飞行控制系统设计

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　　【摘 要】无人机现如今对大众来说已经不再是新鲜事物，在无人机被推向商业化热潮以后，特殊行业对无人机操作的形式高度关注了起来。特别是如今国内的高压电网线路巡检上也对此十分重视，因为无人机能让整个高压电力巡检工作的效率得到大幅度提升。为了确保无人机电力巡检工作的高效且稳定，相关工作人员对无人机飞行控制系统的操作环境进行了相应的研究设计。
　　【关键词】无人机;控制系统;环境;电力巡检
　　中图分类号： TP273;V249;V279 文献标识码： A 文章编号： 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
　　电力安全巡检采用无人机操作，重点是对特高压和高压部分进行应急处置以及日常的安全维护，是对无人机传感器电力巡检系统的装备研究，把无人机安全巡检作业在复杂的地形及环境中完美的完成，从而对我国电网安全以及高压巡检的发展起到辅助作用。目前根据无人机工作的环境和操作的平台，将无人机传感器系统的各项指标把控限制的十分严格，力求能提高其精度，降低其功耗，使其启动的更快并且更具有可靠性。
　　1 无人机电力巡检的意义以及背景
　　扑翼、旋翼以及固定翼三种类型是无人机最常见的分类，这三种类型中的旋翼又被区分为多旋或是单旋。在众多种类中，由于多旋无人机简单的结构与控制灵活的特性，并且能定点悬停在空中，操作上十分简便，而效率也比其他类型的无人机要高出不少，因此是各领域首选的研究机型。而且就目前的状态来看，多旋无人机在各领域所发挥的作用是十分巨大并且非常有意义的。首先在农林业喷洒药物上就得到很大的认可，毕竟使用无人机进行农药喷洒会更加均匀，能充分利用好农药达到更高的防治效果，从而减少了不少农药的浪费并降低了成本。而在地理测绘方面，也能做到更精准的定位与绘制，三维建模等相对复杂的部分也能完成的更出色。更不用说是在电力方面发挥的作用了。相关人员对电力巡检环境与地理的特殊性对多旋无人机进行了针对性的研究与改进，使无人机通过自身装备的GPS和照相机来自定位完成线路的巡检，还将巡检的内容全程拍摄并传送回相关人员处。这样相关人员就能通过照片和影响就能对线路存在的问题进行分析与生成解决方案，并针对方案尽快将问题进行处理。这样不仅很大程度的节省了线路巡检时间，还将人工巡检的各种安全隐患的发生最大化的降低。
　　2 无人机作业的现状以及存在的部分问题
　　在多旋飞行器的研究上国内涉足的相比其他国家晚了不少，但是发展的步伐十分稳定且迅速。现如今除了各大高校开始涉足无人机的研究之外，无人机公司也逐渐多了起来。即使人们非常注重无人机的研究与改进，其在各领域发挥的作用也巨大无比，但还是难免存在着一些不足之处。就像无人机在进行电力巡检的过程中，如果电磁磁场因环境的复杂导致不稳定，无人飞行器的磁力计也会受到很大的影响，便无法保证无人机在线路巡检过程中的安全性。还有就是飞行器运行速度相对较高，所以惯性自然非常大，因此在避障方面的难度是不小的，这避障方面的问题得不到解决，自然就会将无人机巡航的危险升高，因此对无人机自动避障以及主动屏蔽错误指令的研究就显得十分关键。因此要根据操作环境与无人机本身的结构特性进行研究改进，从而使无人机在各领域使用过程中，各项指标与最终成果更加的成熟和稳健起来。
　　3 多旋无人机系统的主要结构
　　无人机的系统主要有三大部分，分别是飞行控制系统以及动力、机械系统。其中飞行控制系统是无人机进行线路巡检是最主要的部分，这部分对无人机来说相当于大脑对人类的作用。目前飞行控制系统有公司或者学者们开源的飞控，还有就是商业公司进行设计生产出来的飞控。而无人机机械系统指的就是机身以及起落架等肉眼可觀，双手可触碰的各个部分了。此外动力系统就是无人机的电子调试器和电机等等。但除了这些，在无人机进行电力巡检的过程中主要依仗的是飞行平台系统以及多传感器系统，还有需要依靠可视化系统以及走廊三维建模等系统的组合，通过这些系统的程序运作与数据调换以及外部数据的获取、调换的设置，来完成巡检工作。在进行巡检工作的时候，无人飞行器的数据采集系统能否如实准确地采集到载机运行的信息，是对无人机巡检能否更高效工作产生直接影响的，为此在光纤IMU数据采集系统的设计上进行了反复研究测试。目的是使其在采集与传输工作中能更加准确高效地完成。 　　4 无人飞行器数据采集系统的总体设计模式
　　无人机在巡检工作中能够平稳安全的飞行，并把相应的数据进行获取和准确的运输到该传送的地方去，是离不开飞行控制系统的运作的。而飞行控制系统又是依靠传感器来进行信息的采集与反馈。就是因为整个无人机的各系统与模块联系地如此紧密，一旦有其中一部分出现问题就会导致整个无人机的工作出现偏差，甚至出现不安全事件，因此要对无人机的各项系统程序与模块进行研究，根据环境与工作的需求进行改进与优化。就像其中的数据采集系统的工作，主要就是数据同步、采集与传送这样一个运行模式。为了达到在短时间内的高精确度要求，就需要对惯性系统进行更精确以及更高频的研究改良，这其中可编程的逻辑器件便是最佳选择。因其不仅核心率高，运行速度也极高，对高频信号的采集可以轻松完成，能够大规模地进行系统设计。而且其可以并行运行内部的程序，并将多种不同任务进行同步的处理，并将数据采样的速率提高了上去。与此同时，硬件系统的实现是通过PCB板设计，因为其可靠以及灵活性也是很强，所以FPGA软件常被应用为数据采集系统的核心点。
　　5 实现系统软件与硬件
　　5.1 FPGA脉冲采集系统的实现
　　光纤惯性组件中的光纤陀螺和温度输出等结构是属于脉冲信号部分，因此必须要通过FPGA的计数电路设计来实现脉冲信号的采集工作。毕竟脉冲信号的采集先获得了实现，再将温度与加速度计信号等通过通用串口的形式与上位机进行输出通信，才能使上位机数据的储存与采集通过相应的软件来实现。而其中小应用系统中还包含些许问题，也就是熟知的配置电阻以及电源、储存器等问题也需要被关注。
　　5.2 温度采集方面的电路设计
　　数据采集系统中最重要的部分就是温度采集线路，因其光纤IMU对于温度上的感知十分灵敏，毕竟惯性仪表的标度因数以及零偏会跟随环境的温度变化而改变，并能对器件的输出精度造成最直接的影响。也就是以说不管是地势的高低险峻还是四季环境温度的变化，都会引起无人机进行电路安全巡检时内部温度的转变，对数据输出的精确度也造成了不小的影响。因此就要将采集数据板以及加速度计等周边环境的温度进行控制，还要做好软件在进行工作处理时的温度补偿。
　　5.3 无人飞行器数据通信的电路设计
　　数据输出与时间同步模块同属于数据输出的部分，其中将加速度计以及陀螺数据如实并精准的传送给上位机的部分就是数据输出模块的职责，而GPS和IMU的时间同步，以及将GPS里的PPS秒脉冲当作基本的是时间参考发送给IMS，再将IMS的IPS进行同步输出来确保两者数据的同步性工作就隶属于时间同步模块。而时间以RS422接口形式进行数据通信电路的就是时间模块的工作，其采用的ASCII码形式把加速度计以及温度数据用串行接口跟上位机对接起来，然后上位机会使用其数据采集软件来实现数据上的储存、接受及解码。另一方面通讯电路则是由发送还有波特率产生相结合运作。其中波特率产生使分频生成通信所需的波特率是要通过外接25MHz的无源晶振来实现的，从而连同波特率时钟一起实现。而其中的发送模块是以RS422采用相应的芯片来保持GPS的时间同步，并依靠IMU来将所有数据运输到上位机中，以此来确保数据的传输与接受的准确、可靠和高效性。
　　5.4 复杂环境磁场的抗磁性设计及实现
　　无人机发展的势头越是迅猛，对其高效与安全方面的要求就越是严格。但是由于高压与超高压线路周围的磁场会根据地势环境与温度的改变而造成不稳定，这种现象又对无人机磁力计造成直接的影响，会容易影响解算结果使无人机无法顺利运行。因此，现阶段只能搭载相机结合红外线进行远程巡检。为了能改善这种现状，便对双天线的定位测向系统进行研究、实验并引用，这种系统能够更好地校正航线，提高了无人机的抗干扰性，并使巡检过程更具有安全性。
　　6 结束语
　　针对高压线路安全巡检的特性对无人机进行研究与更新，对我国的电网巡检发展起着重大的辅助作用。因此在研究過程中，要将每个部分与系统进行详细的分析与改进，并时刻进行检修与维护，及时找到无人机巡检过程中各系统运作的优势与问题，及时进行调整，最大程度地保证电路巡检的安全性与工作的高效性。
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