無人機(jī)在負(fù)載突發(fā)擾動中的控制技術(shù)研究

侯力楓，宋新利，季 寧，魯 杰，席海闊，范士清，柴振華，劉明輝，李 壯

（國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000）

0 引言

為了保證架空輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，輸電線路需要定期進(jìn)行巡檢，及時發(fā)現(xiàn)線路存在的隱患和缺陷［1-2］。隨著架空輸電線路長度不斷增長，傳統(tǒng)人工巡視難以滿足需求，近年來無人機(jī)和機(jī)器人等新技術(shù)不斷應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，極大提高了輸電線路的巡檢效率、缺陷的識別率和準(zhǔn)確度、故障位置的精確查找等。電能通過架空輸電線路進(jìn)行傳輸，其運(yùn)行狀態(tài)影響著電能輸送的質(zhì)量，如何實現(xiàn)輸電線路高效、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)維水平，從而確保電網(wǎng)的可靠性是首要目標(biāo)［3-4］。由于電網(wǎng)運(yùn)行在自然環(huán)境里，受到環(huán)境中各種因素的影響，容易引起金具缺失、導(dǎo)線斷股、絕緣子發(fā)熱等隱患。當(dāng)線路帶電運(yùn)行過程中，為了及時消除線路隱患，同時確保人員安全的條件下，采用無人機(jī)和機(jī)器人的模式，可以實現(xiàn)線路的帶電作業(yè)［5-6］。

通過上面的分析，結(jié)合無人機(jī)和機(jī)器人兩種新型技術(shù)，實現(xiàn)輸電線路的自主巡檢，是輸電線路巡檢的發(fā)展趨勢，該技術(shù)可以進(jìn)行線路隱患的帶電排查及治理，對于線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的價值。架空輸電線路智能無人機(jī)巡線機(jī)器人的研制，以架空輸電線路地線為行駛路徑，包括作為運(yùn)輸載具的無人機(jī)和在地線上行走的巡線機(jī)器人，利用獨特設(shè)計的裝載接口，以及投放和回收裝置，將兩部分結(jié)合在一起，實現(xiàn)無人機(jī)自主飛行、機(jī)器人自動投放與回收、自主巡視等，如遇跨越塔頭和障礙物等情況，利用無人機(jī)將機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)輸跨越，既避免對桿塔本體進(jìn)行改造，又降低了機(jī)器人避障部分機(jī)械機(jī)構(gòu)的復(fù)雜設(shè)計，大大降低機(jī)器人的重量與體積。通過攜帶的熱成像組件和帶有激光校準(zhǔn)標(biāo)定的高清晰攝像機(jī)對線路實施巡檢，重點對導(dǎo)地線、絕緣子、金具溫度和異常破損檢測。

1 飛控系統(tǒng)

根據(jù)巡線機(jī)器人的重量，選擇鯤鵬智匯KPM-28系列無人機(jī)平臺，并根據(jù)要求進(jìn)行相應(yīng)的定制（如圖1）。KPM-28無人機(jī)是鯤鵬智匯為工業(yè)級行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域打造的六旋翼飛行平臺，該機(jī)型采用高比強(qiáng)度復(fù)合材料和快速拆裝設(shè)計，且配備強(qiáng)勁的動力系統(tǒng)，在續(xù)航時間和載重量方面有顯著優(yōu)勢；開放的SDK和可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)使得該機(jī)型可搭載多種設(shè)備，滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。KPM-28的基本參數(shù)如表1所示。

圖1 無人機(jī)平臺Fig.1 UAV platform

表1 KPM28的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of KPM28

飛控系統(tǒng)采用鯤鵬智匯具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的KP旋翼飛控系統(tǒng)，選用高精度、高可靠性的傳感器系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的控制與導(dǎo)航算法，為行業(yè)級無人機(jī)提供安全性好、可靠性高、精度高的飛行控制系統(tǒng)。豐富的可擴(kuò)展接口以及穩(wěn)定的載荷控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)不同用戶的定制化需求。

KP旋翼飛控系統(tǒng)設(shè)計了兩個模塊，分別是機(jī)載模塊與地面端模塊，如圖2 所示。機(jī)載模塊主要包括主控板、通信模塊以及電壓監(jiān)測模塊。主控板是飛控系統(tǒng)的核心部件，其中包括帶有獨立減震結(jié)構(gòu)的IMU、氣壓計和磁力計模塊，再結(jié)合GNSS模塊，可實現(xiàn)高精度的導(dǎo)航與控制功能。通信模塊主要通過無線數(shù)傳的方式實現(xiàn)機(jī)載端與地面站的通信［7-8］。電壓監(jiān)測模塊可實現(xiàn)對無人機(jī)電池電壓的實時監(jiān)測，保障飛行安全。地面站模塊含有兩個模塊，分別是無線Wi-Fi 模塊與GNSS 模塊。其中前者的功能是完成地面站軟件的無線通信連接，具有容易操作的特點。此外，地面站模塊內(nèi)置可充電式的獨立電源，連續(xù)工作時間長達(dá)8 h以上。

圖2 KP旋翼飛控系統(tǒng)Fig.2 KP rotor flight control system

2 擾動控制技術(shù)分析

針對六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，為了達(dá)到點對點飛行方式，采用內(nèi)環(huán)操作與外環(huán)操作的模式，該操作模式如圖3 所示。前者實現(xiàn)歐拉角操作模式，后者的作用是實現(xiàn)3個線位移操作模式，并且，能夠輸出期望的歐拉角數(shù)據(jù)，從而完成內(nèi)環(huán)的反饋數(shù)據(jù)［9-10］。

圖3 控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Control structure diagram

為了方便系統(tǒng)的控制，通過在各控制器里設(shè)置PID控制器的模式，從而更好地消除外界干擾與系統(tǒng)噪聲對無人機(jī)控制系統(tǒng)的影響，以及無人機(jī)投放或者連接機(jī)器人帶來的系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)載突發(fā)擾動過程，本文引入自抗擾控制理論（ADRC）對飛控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。如圖4所示為控制器的基本結(jié)構(gòu)。

圖4 加入自抗擾的控制器基本結(jié)構(gòu)Fig.4 The basic structure of the controller with active disturbance rejection

期望指令信息首先經(jīng)過過渡過程的處理，過渡過程的存在主要是為了防止突變信號以及超出無人機(jī)機(jī)動能力范圍外的指令，對期望信號進(jìn)行平滑處理，給出合適的參考指令及其微分信號。PID控制器采用的是雙閉環(huán)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，外環(huán)控制目標(biāo)物理量，內(nèi)環(huán)對目標(biāo)物理量的速率進(jìn)行控制，得到PID控制輸出。擾動估計主要將系統(tǒng)未建模部分以及噪聲等統(tǒng)一為擴(kuò)張狀態(tài)，并通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對定義的擴(kuò)張狀態(tài)進(jìn)行實時的估計，并對PID控制輸出進(jìn)行補(bǔ)償，得到最終的控制器輸出。具體實施時，首先將多旋翼等效為1個二階系統(tǒng)：

對于位置和高度控制，系統(tǒng)可表示為以下的一階系統(tǒng)：

式（4）中，xdot表示速度，f(xdot，t)為與速度有關(guān)的非線性時變函數(shù)，w(t)為未知干擾，u為控制指令。令系統(tǒng)的表現(xiàn)量a(t) =f(x，t)+w(t)，則可建立以下的擴(kuò)張一階系統(tǒng)：

對以上擴(kuò)張系統(tǒng)建立二維擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，其表達(dá)式如下：

適當(dāng)?shù)剡x取參數(shù)β1和β2，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的狀態(tài)zi(t)可以很好地跟蹤系統(tǒng)的狀態(tài)變量xi(t)，即zi(t) ≈xi(t)。因為擴(kuò)張狀態(tài)觀測器能夠完成系統(tǒng)狀態(tài)變量的在線分析，于是，能夠設(shè)置控制量u補(bǔ)償時所需的表現(xiàn)量a(t)如下：

因此，針對一階非線性不確定對象，便能夠設(shè)置成標(biāo)準(zhǔn)線性“積分器串聯(lián)型”對象系統(tǒng)。對于以上轉(zhuǎn)化后的系統(tǒng)，取合適的狀態(tài)誤差，反饋得到u0，其表達(dá)式如下：

3 結(jié)語

隨著無人機(jī)在輸電線路巡檢工作所占比例越來越大，本文選擇鯤鵬智匯KPM-28系列無人機(jī)平臺，搭載巡線機(jī)器人，充分結(jié)合了兩者的優(yōu)勢，對輸電線路巡檢具有一定的價值。通過在各控制器里設(shè)置PID控制器的模式，從而更好地消除外界干擾與系統(tǒng)噪聲對無人機(jī)控制系統(tǒng)的影響，以及無人機(jī)投放或者連接機(jī)器人帶來的系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)載突發(fā)擾動過程，本文引入了自抗擾控制理論（ADRC）對飛控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。研究表明，該系統(tǒng)可以快速應(yīng)對無人機(jī)復(fù)雜突變引起的擾動，實現(xiàn)無人機(jī)的穩(wěn)定控制，確保架空輸電線路智能無人機(jī)巡線機(jī)器人復(fù)合系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，充分保證輸電線路的安全。