基于四旋翼無人機(jī)的電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曾德智 陳銳堅(jiān) 廖栩榮 邱桂添 陳志堅(jiān)

（五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

電氣設(shè)備需要定期進(jìn)行巡檢，一些重要的電氣設(shè)備例如大型變壓器等會(huì)安裝在線監(jiān)測(cè)裝置，這些裝置結(jié)合通信系統(tǒng)通常價(jià)格非常昂貴，難以普及到常規(guī)低成本的電氣設(shè)備上。而架空輸電線路往往會(huì)采取人工巡檢的方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。無論是人工巡檢還是單一來源傳感器的故障在線檢測(cè)常常會(huì)出現(xiàn)一些誤判斷和誤操作，造成損失。一些分散布置在偏遠(yuǎn)山區(qū)的中的重要電氣設(shè)備的后期運(yùn)營維護(hù)是一個(gè)十分棘手的問題。

本文提出了一項(xiàng)基于四旋翼無人機(jī)的電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，綜合利用其空中優(yōu)勢(shì)，全方位、高精度檢查線路情況，搭建了一個(gè)基于信息融合模型的電氣設(shè)備的故障檢測(cè)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了人工巡線的不足，大大提高工作效率。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的整體模型如圖1所示，分別是模擬電線桿塔模型圖和檢測(cè)設(shè)備實(shí)物圖（無人機(jī)及機(jī)載熱紅外成像儀）。本系統(tǒng)的總體框架如圖2所示，主要分為飛控模塊、電氣量檢測(cè)模塊和無線充電模塊三大部分，其中飛控模塊采用STM32系列微處理器作為核心處理器，配以陀螺儀以及加速度計(jì)作精確的飛行器實(shí)時(shí)姿態(tài)控制[1-2]，再以氣壓計(jì)與 GPS作三維導(dǎo)航，使飛行器實(shí)現(xiàn)自主懸停巡檢以及對(duì)重要電氣設(shè)備進(jìn)行分布式傳感器數(shù)據(jù)采集[3-4]。電氣量檢測(cè)模塊通過 AD轉(zhuǎn)換采集互感器的電流電壓數(shù)據(jù)[5]，實(shí)時(shí)監(jiān)控。以及采用 FLIR公司的熱紅外成像儀機(jī)芯采集高壓線路或設(shè)備的熱紅外圖像[6]，結(jié)合電流、電壓和圖像三組數(shù)據(jù)在地面站進(jìn)行信息融合，從而分析和判斷電氣設(shè)備的健康狀況。利用檢測(cè)到的電氣量數(shù)據(jù)在軟件平臺(tái)上進(jìn)行初步的分析，列出電氣設(shè)備中可能出現(xiàn)的故障參數(shù)給出置信度區(qū)間，并生成診斷報(bào)告。同時(shí)考慮到飛行器續(xù)航能力不足的問題，本設(shè)計(jì)加入了中途定點(diǎn)無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過GPS定位以及圖像分析使飛行器精確定位到充電平臺(tái)，并通過無線充電系統(tǒng)進(jìn)行續(xù)航充電。

圖1 模型設(shè)備實(shí)物圖

圖2 系統(tǒng)框架圖

2 電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 在線監(jiān)測(cè)功能

本系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)功能的設(shè)計(jì)如圖3所示，在飛行器執(zhí)行任務(wù)前，用上位機(jī)向無人機(jī)寫入目標(biāo)電氣設(shè)備的經(jīng)緯度坐標(biāo)以及高度等信息，當(dāng)接收到開始執(zhí)行任務(wù)的命令后，飛行器便會(huì)自行飛行到目標(biāo)航點(diǎn)，然后開啟熱紅外成像儀，采取LM1881同步信號(hào)分離芯片讀取出模擬信號(hào)的場(chǎng)中斷以及行中斷，用TCL5510高速AD轉(zhuǎn)換芯片把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為8位數(shù)字信號(hào)，通過芯片采集數(shù)字信號(hào)，編碼并儲(chǔ)存在SD卡中[7-8]。任務(wù)過程中，飛行器定時(shí)檢測(cè)自身蓄電池電量，若低于設(shè)定閥值，則暫停任務(wù)并自主飛行至附近的無線充電平臺(tái)進(jìn)行自主無線充電；若電量充足，則繼續(xù)執(zhí)行巡檢任務(wù)。任務(wù)完成后，飛行器自主返航到起飛點(diǎn)。每當(dāng)飛行器在進(jìn)入電網(wǎng)檢測(cè)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)，飛行器將通過無線通信獲取該電氣設(shè)備監(jiān)控點(diǎn)所采集到的電流電壓等電氣量數(shù)據(jù)。飛行器返航后，與上位機(jī)通信通過軟件進(jìn)行信息融合初步分析，列出電氣設(shè)備中可能出現(xiàn)的故障參數(shù)給出置信度區(qū)間，并生成診斷報(bào)告，從而分析和判斷電氣設(shè)備的健康狀況。

圖3 功能流程

2.2 無線充電功能

無線充電模塊采用電磁共振耦合的方式[9]。分為發(fā)射和接收兩個(gè)部分，其中發(fā)射部分的控制電路采用 STM32F103C8作為核心處理器，同時(shí)作為脈沖信號(hào)發(fā)生器，負(fù)載檢測(cè)信號(hào)處理器以及電能質(zhì)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。處理器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng) MOS管，激勵(lì) LC震蕩電路產(chǎn)生固定頻率的正弦交變電流并獲得交變磁場(chǎng)。檢測(cè)電路每 10s檢測(cè)一次，當(dāng)檢測(cè)到有負(fù)載時(shí)保持 響應(yīng)，無負(fù)載則斷開，以降低空載時(shí)的功耗。頻率設(shè)定為 500kHz以下，其中電感采用銅質(zhì)多芯線圈做成，為發(fā)射磁場(chǎng)線圈，直徑約為30cm。該模塊電源輸入與功率輸出視接收端而定，可以通過調(diào)節(jié)電位器實(shí)現(xiàn)，最大輸出功率100W。

接收部分分為接收線圈和整流穩(wěn)壓兩部分。接收線圈采用鋁質(zhì)線，具有質(zhì)量輕的特點(diǎn)且電阻小適合飛行器搭載，線圈直徑與形狀與發(fā)射線圈一致。當(dāng)接收線圈接近發(fā)射線圈時(shí)，通過電磁感應(yīng)使得接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)整流濾波后供應(yīng)飛行器電池充電。接收模塊要求輸出功率大于24W以滿足電池充電需求。

發(fā)射線圈鑲嵌于充電平臺(tái)內(nèi)，接收線圈附在起落架內(nèi)，停機(jī)時(shí)兩線圈在 10cm范圍內(nèi)能保證穩(wěn)定功率輸出。充電效率可達(dá)70%以上，與插座式傳輸相比，其靈活性強(qiáng)，不需精確對(duì)位。在各站點(diǎn)停留充電可克服飛行器續(xù)航能力差的缺點(diǎn)。完全省去了返回進(jìn)行人工充電的步驟，實(shí)現(xiàn)了無人智能管理。另外充電平臺(tái)的上方設(shè)有降落臺(tái)標(biāo)志物，用于飛行器的視覺定位以彌補(bǔ)GPS精度不能滿足飛行器精確降落的缺點(diǎn)。

2.3 信息融合故障分析功能

電氣設(shè)備的故障信號(hào)通過在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下采集電壓、電流、溫度信號(hào)，能直接得到狀態(tài)信息，但由于設(shè)備運(yùn)行中的各種干擾，使得難以從中提取有效的故障信息。本文通過搭建信息融合故障分析平臺(tái)，構(gòu)建以下模型（如圖4所示）來實(shí)現(xiàn)故障信息提取分析功能。

圖4 信息融合方法

其中，將多個(gè)傳感器采集到電氣設(shè)備狀態(tài)量數(shù)據(jù)（例如電壓、電流和溫度等）進(jìn)行特征級(jí)融合，并作歸一化處理，即把采集到的數(shù)據(jù)在已知的先驗(yàn)概率下對(duì)有用的信息進(jìn)行采樣估計(jì)，得出最優(yōu)估計(jì)信息集[U1，I1，T1]，[U2，I2，T2]，[U3，I3，T3]；利用這些信息結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)得到故障診斷信息集Y=[Y1，Y2，Y3]；再根據(jù)故障的先驗(yàn)知識(shí)以及各診斷信息的重要程度，假設(shè)有模糊權(quán)重集A=[A1，A2，A3]；據(jù)此進(jìn)行模糊評(píng)判P=Y*A得出故障初步分析結(jié)果；最后通過加權(quán)累加的方法，將模糊評(píng)判數(shù)據(jù)做最終的計(jì)算，得出設(shè)備故障分析報(bào)告[10]。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要包括下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，以減少軟件設(shè)計(jì)的工作量，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

3.1 上位機(jī)

1）任務(wù)準(zhǔn)備

飛行器執(zhí)行任務(wù)前，需通過上位機(jī)設(shè)置任務(wù)航點(diǎn)信息，如經(jīng)緯度，高度等（如圖5所示），并通過無線通信方法發(fā)送到飛行器保存。

圖5 確立航點(diǎn)

2）結(jié)果處理

飛行器執(zhí)行任務(wù)完畢后，將通過無線通信的方法返回任務(wù)中采集到的數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)的信息融合平臺(tái)進(jìn)行人工或自動(dòng)分析處理（如圖6（a）所示），并生成故障分析報(bào)告（如圖6（b）所示）。

圖6 設(shè)備故障分析

3.2 下位機(jī)

1）自主巡檢

飛行器在保存任務(wù)航點(diǎn)信息完畢并接收到任務(wù)開始命令后，將自主執(zhí)行巡檢任務(wù)，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后，通過紅外設(shè)備采集目標(biāo)物的熱信息，并通過無線通信方法采集所設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上傳的其他電氣參數(shù)。當(dāng)任務(wù)結(jié)束后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行分析判斷。

2）人工巡檢

當(dāng)遇到特殊情況需要人工進(jìn)行更精確的操作時(shí)，操作人員可使用上位機(jī)或?qū)Ｓ眠b控來操作飛行器進(jìn)行巡檢，熱圖像及其他電氣參數(shù)信息將實(shí)時(shí)的傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上以便分析判斷。

4 綜合調(diào)試方法及測(cè)試結(jié)果

4.1 無人機(jī)姿態(tài)調(diào)試

1）無人機(jī)姿態(tài)調(diào)試

無人機(jī)姿態(tài)控制使用互補(bǔ)濾波算法，通過對(duì)四元數(shù)的初始化和對(duì)加速度計(jì)的權(quán)值極大縮小以減弱虛擬角。姿態(tài)控制器主要用經(jīng)典的單輸入單輸出（SISO）反饋控制方法（即 PID控制方法），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要依賴精確的動(dòng)態(tài)模型。姿態(tài)控制器采用串級(jí)雙環(huán)控制，即角速度作為外環(huán)，角加速度作為內(nèi)環(huán)。測(cè)試飛行器姿態(tài)如圖7所示，可保證飛行器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和較好的抗干擾性。

圖7 姿態(tài)測(cè)試

2）無人機(jī)定位調(diào)試

無人機(jī)定位所需的位移數(shù)據(jù)可以用以下公式計(jì)算得出

f=1/298.257223563

Rea=6378137.0m

Reb=Rea（1-f）=635675.0m

而地心固定坐標(biāo)系中坐標(biāo)可以用下列公式計(jì)算：

再通過旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)換成本地NED坐標(biāo)系。由于GPS的測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差不能滿足小型無人飛行器的精度要求，因此運(yùn)用 LQR濾波器對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，通過10個(gè)數(shù)據(jù)的窗口濾波后的加速度計(jì)的數(shù)據(jù)對(duì)GPS的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，再使用經(jīng)典PID方法傳遞給飛行器姿態(tài)控制器。

4.2 信息融合判斷測(cè)試

為驗(yàn)證信息融合判斷方法的準(zhǔn)確性，搭建了一段由三座模擬電線桿塔構(gòu)成的220V輸電線路模型，其中桿塔A和桿塔B均為正常工作，桿塔C發(fā)生了接地短路故障。每隔30min采集電流互感器、電壓互感器等傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，得出報(bào)告見表1。

報(bào)告中，U、I、T分別代表電壓、電流、溫度，P1、P2、P3分別代表該點(diǎn)出現(xiàn)開路、短路、正常的概率。

5 結(jié)論

本文把各個(gè)模塊的優(yōu)點(diǎn)糅合在一起，模塊之間既有分工又有合作，無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)效率高而且分析判斷準(zhǔn)確，針對(duì)目前電氣設(shè)備檢修人員工作量繁重且安全隱患大等問題，利用更小巧靈活的無人機(jī)代替了人工，針對(duì)目前電力設(shè)備單一來源傳感器的故障在線檢測(cè)常常會(huì)出現(xiàn)一些誤判斷和誤操作等問題，利用上位機(jī)的信息融合技術(shù)分析技術(shù)能極大的減少誤判斷和誤操作，而且利用上位機(jī)向無人機(jī)寫入航點(diǎn)信息，更好的方便了檢修人員的工作。

表1 故障分析報(bào)告

[1] 譚淑梅. 簡(jiǎn)析STM32單片機(jī)原理及硬件電路設(shè)計(jì)[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2014, 6(6): 21-23.

[2] 胡慶. 基于STM32單片機(jī)的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2012.

[3] 周賀. 基于STM32單片機(jī)的三葉漿四旋翼飛行器設(shè)計(jì)[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù), 2014(21): 5126-5128.

[4] 凌金福. 四旋翼飛行器飛行控制算法的研究[D]. 南昌: 南昌大學(xué), 2013.

[5] 王勇貞. 高速數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 太原:中北大學(xué), 2013.

[6] 顧春洋, 李鑫, 張強(qiáng). 基于SD卡的FAT32文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇, 2013, 2(2):96-98.

[7] 徐建功, 趙捷, 李偉, 等. 基于 STM32F103XX微處理器的Micro SD卡讀寫[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2010(20):26-28, 32.

[8] 張宇, 石新春, 李琦. 無線輸電基本原理及應(yīng)用研究[J]. 科技資訊, 2012(18): 132-133.

[9] 張斌. 磁耦合共振型無線輸電系統(tǒng)的研究[D]. 蘭州:蘭州理工大學(xué), 2014.

[10] 文清豐. 基于多信息融合的電網(wǎng)故障診斷技術(shù)研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2014: 3-11.