电力巡检四旋翼无人机自主控制系统设计*

张新英，葛增增，王双岭

(1.郑州经贸学院 智慧制造学院，河南 郑州 451191；2.中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁 450000)

0 引言

电网系统作为我国社会经济发展的支柱性产业，为了保障其安全稳定运行，需要定期对高压杆塔及其输电线路作故障排查。相对于电力工人现场攀爬杆塔或者使用望远镜观察的方式进行排查，四旋翼无人机能够更好地进行电力巡检，既保证了电力工人的人身安全，又能够保质保量地完成电力巡检任务，具有很高的科研价值。本文四旋翼无人机的自主控制系统主要以STM32F303CCT6芯片进行系统的协调工作，使用MPU6050实现无人机飞行姿态的解算，使用GPS实时测量无人机的位置信息，使用超声波测距检测无人机的飞行环境。经过验证与调试，能够实现无人机的定点悬停与自主避障，完成无人机的自主飞行[1-5]。

1 自主控制系统总体架构

四旋翼无人机的自主控制主要实现四旋翼无人机的自主飞行控制、定点悬停、自主避障以及路径的规划[6-10]。图1为无人机自主控制系统结构框图，由各个模块完成系统的控制。

图1 无人机自主控制系统结构框图

主控STM32F303CCT6负责协调系统；姿态传感器检测无人机的飞行姿态；电源管理模块负责检测电量消耗，进行充放电；无线通信模块实现无人机的远距离通信；电机驱动模块通过调节PWM占空比控制电机运行；GPS模块实时测量无人机的位置信息；避障模块检测无人机的飞行环境。

1.1 主控制器

考虑到硬件设计的问题，要求主控制器拥有足够多的通讯接口，其运算速度和主频要强。系统主控制器选择STM32F303CCT6芯片，该芯片是一款采用Cortex-M4内核设计的微处理器，其功耗为238 μA/MHz，尺寸小，功耗小，可靠性强，能提供丰富的各类接口(UART、I2C、SPI、USART等)。图2为STM32 F303CCT6电路连接图。

图2 STM32F303CCT6电路连接图

1.2 自主飞行控制

四旋翼无人机接收到起飞信号，GPS数据精度满足要求后，将自动起飞到设定位置。四旋翼无人机到达设定位置后，就可以根据设定信息进行自主运行，由GPS模块测量无人机的信息并记录。将读取的坐标数据作为水平位置设定值，这样就在高度控制的基础上增加了位置控制。按顺序读取位置信息，将其当做期望位置对四旋翼无人机进行控制，从而达到自主飞行的目的。当四旋翼无人机结束自主飞行任务后，系统会切换到返航模式，使其自主地返回到起飞点坐标并实现降落。

1.3 定点悬停

使四旋翼无人机保持定点悬停的核心是能够得到无人机精确的坐标。由于电力巡检四旋翼无人机巡航时间一般不太长，飞行半径一般不超过3 km，高度一般不超过2 km，计算时可以忽略地形的变换，忽略掉地球的曲率，将地球近似为一个标准的球体，将坐标系以及无人机的经度和纬度近似为O=(lato,lono),P=(latp,lonp)。其中，lat为纬度，lon为经度。则惯性坐标系的定义计算式为：

(1)

其中：R为地球半径；lat1、lat2分别为第一次和第二次纬度值。已知x和y坐标的数学公式，R约等于6 371 km(地球半径)，经纬度单位为弧度。由于GPS数据更新速度慢会出现延迟的信息，这可能会导致位置控制的延迟，也可能导致系统的发散。为解决这一问题，使用一种GPS解算方法，结合GPS和加速度各自的位置信息来提高位置信息的获取。根据二者的优缺点，使用GPS更新周期的加速度来估计位置，周期时间利用GPS得到的准确数据，将积分复位返回，以保证位置数据的获取。

设GPS在i(i=1,2,3,…，n)时刻得到无人机的实时位置，式(2)为估算位置的解法：

(2)

其中：pi为获取的位置；vi为速度，ai为加速度；T为更新周期；Δt(Δt

通过测量无人机的位置信息，使无人机停留在预设位置。无人机会自动调节自己的位置，使自身不偏离预设目标，如果受到外部因素影响，由控制单元进行补偿。

2 自主控制系统软件设计

自主控制软件流程如图3所示，系统初始化完成后，将MPU6050采集到的无人机数据通过PID进行姿态融合、通过GPS模块实时读取无人机的位置信息和速度信息；主控制器按时发送无人机的实时数据，当接收到飞行高度、飞行经纬度和飞行速度等参数的设置命令以及记录GPS的坐标点的设置命令时，对这些数据信息进行实时储存；在接收到起飞的命令信号后，将起飞命令发送给飞控单元，GPS记录此时的经纬度坐标作为起始点，姿态算法开始执行，并通过电机输出PWM波控制电机运行；当无人机起飞成功后，无人机保持当前状态沿线飞行，并开始巡视工作，此时的主控制器会按照设置的相关指令执行相关飞行动作，依据飞行参数，得到下一个目标点的高度信息和无人机的姿态角信息，然后将飞行动作的命令发送到飞控单元中，使无人机改变姿态。当出现障碍物时，避障功能模块对检测到的实时距离数据进行读取，避障算法开始执行，待避障完成后继续向目标路径点飞行。巡视工作结束后，无人机返回到起点降落。系统运行时，可以通过遥控器发送终止命令，此时无人机开始返航或降落。

图3 自主控制软件流程

3 仿真测试

通过仿真测试，观察无人机是否按照路径规划运行，无人机的轨迹跟踪位置结果如图4所示，无人机轨迹跟踪速度结果如图5所示。

图4 无人机轨迹跟踪位置

图5 无人机轨迹跟踪速度

通过结果分析，无人机能够进行稳定的轨迹跟踪，很好地到达预期位置，有较好的位置跟踪性能，能够满足预设要求，有较强的抗干扰能力。

4 总结

本文对电力巡检四旋翼无人机自主控制系统进行研究，采用STM32F303CCT6芯片作为主控制器，采用GPS进行定点悬停，采用超声波测距实现无人机的自主避障。通过实验，该系统能够很好地进行轨迹跟踪，满足预设要求。稳定地在空中进行定点悬停，当遇到障碍物时，能很好地进行自主避障，有较好的位置跟踪性能，实现无人机的自主控制。