四旋翼無人機(jī)在線路施工中的控制改進(jìn)優(yōu)化

［關(guān)鍵詞］線路巡檢；施工管理；模糊控制；四旋翼無人機(jī)

［中圖分類號(hào)］TP273 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）10–0111–03

四旋翼無人機(jī)在低空飛行領(lǐng)域具有極大的靈活性和便捷的操作性，在電力建設(shè)領(lǐng)域具有廣闊前景。傳統(tǒng)的無人機(jī)抗干擾能力弱，文章基于無人機(jī)應(yīng)用，提出了一種模糊控制系統(tǒng)，著重強(qiáng)化無人機(jī)抗干擾性能，提高無人機(jī)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。經(jīng)建模仿真表明，該系統(tǒng)具有更好的快速性、穩(wěn)定性，為提高送電工程應(yīng)用提供研發(fā)參考方向。

1系統(tǒng)構(gòu)成

無人機(jī)系統(tǒng)主要以飛行控制系統(tǒng)、任務(wù)荷載系統(tǒng)與地面控制系統(tǒng)為主。文章主要研究其飛行控制系統(tǒng)，首先建立姿態(tài)坐標(biāo)系gxyz（圖1）和定位坐標(biāo)系oxyz（圖2），x軸正方向?yàn)楹竭M(jìn)方向。

四旋翼無人機(jī)在線路現(xiàn)場(chǎng)使用中主要是通過無人機(jī)攜帶的傳感器反饋出無人機(jī)的飛行姿態(tài)，再通過閉環(huán)反饋偏差控制調(diào)節(jié)旋翼的旋轉(zhuǎn)速度。傳統(tǒng)算法控制會(huì)使系統(tǒng)存在不同程度的晃動(dòng)超調(diào)，文章結(jié)合送電線路飛行施工經(jīng)驗(yàn)，搭建模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。通過軟件對(duì)比仿真角度對(duì)速度串級(jí)控制和模糊自適應(yīng)PID控制兩種控制策略，文章根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，合理安排了控制系統(tǒng)的兩個(gè)閉環(huán)反饋，以減少超調(diào)量和反應(yīng)時(shí)間。無人機(jī)飛行姿態(tài)控制流程如圖3所示。

2無人機(jī)系統(tǒng)建立及仿真

現(xiàn)在的線路施工和巡檢中，交叉跨越和臨近帶電體的案例層出不窮，在使用四旋翼無人機(jī)巡視時(shí)，臨近帶電線路飛行十分危險(xiǎn)，輕則無人機(jī)損壞，重則造成線路停電事故，影響線路供電安全。故提高無人機(jī)反應(yīng)時(shí)間和減小超調(diào)量是重中之重，以此為基礎(chǔ)搭建起無人機(jī)的飛行控制模型系統(tǒng)。

2.1仿真系統(tǒng)框架搭建

文章基于一線線路基建實(shí)際，提出并建立了串級(jí)模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器以偏差變化率作為輸入量，PID參數(shù)作為控制器的輸出。通過對(duì)規(guī)則的自動(dòng)閉環(huán)調(diào)整，來實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)控制，讓控制參數(shù)更加接近于符合實(shí)際的整定值，以追求無人機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性為目的，建立了無人機(jī)的飛行仿真模型。

根據(jù)線路基建現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，文章建立了串級(jí)模糊自適應(yīng)無人機(jī)控制器系統(tǒng)模型，如圖4所示。該系統(tǒng)在基于實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，在閉環(huán)參數(shù)反饋上實(shí)現(xiàn)了對(duì)外環(huán)角度、內(nèi)環(huán)角速度的精確控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制，解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的較大超調(diào)量和震蕩時(shí)間長的問題，增強(qiáng)了四旋翼無人機(jī)的穩(wěn)定性和操作性，提升了控制系統(tǒng)對(duì)帶電體的磁場(chǎng)抗干擾能力。

2.2模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)在實(shí)際使用中更加注重角度閉環(huán)反饋和角速度閉環(huán)反饋的偏差及其變化率，因此將其模糊規(guī)則設(shè)定為合適的7個(gè)規(guī)則。無人機(jī)飛行系統(tǒng)選用三角形隸屬函數(shù)作為模糊子集，規(guī)則根據(jù)在送電線路架設(shè)中實(shí)際無人機(jī)飛行經(jīng)驗(yàn)所得，根據(jù)無人機(jī)在巡視和懸停時(shí)的需求方向，具體函數(shù)模糊控制器如圖5所示。

建立模糊規(guī)則是提高無人機(jī)在送電一線實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定性和可靠性的重中之重，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的反饋控制主要實(shí)現(xiàn)由系統(tǒng)輸入量的變化計(jì)算出輸出量的值并反饋至系統(tǒng)閉環(huán)，系統(tǒng)輸入偏差及其變化率控制曲面圖如圖6、圖7所示。

2.3Matlab仿真搭建

為了與無人機(jī)在線路基建實(shí)際應(yīng)用相對(duì)應(yīng)，仿真模型的搭建在FIS（模糊推理系統(tǒng)）編輯器中對(duì)角度器進(jìn)行輸入編譯。根據(jù)建立的模糊自適應(yīng)無人機(jī)控制系統(tǒng)中的角度、角速度控制參數(shù)，建立基于送電線路工程應(yīng)用的Simulink仿真模型。

仿真結(jié)果表明，基于送電一線施工中使用經(jīng)驗(yàn)建立起來的四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)在抗干擾能力和反應(yīng)速度上明顯優(yōu)于角度角速度串級(jí)PID控制，當(dāng)然這個(gè)結(jié)果這僅限于仿真中，下一步將繼續(xù)研究無人機(jī)的嵌入式控制，進(jìn)一步驗(yàn)證算法的優(yōu)越性，來增強(qiáng)四旋翼無人機(jī)在線路施工和巡檢中的應(yīng)用實(shí)踐。

3結(jié)束語

結(jié)合工作實(shí)際，針對(duì)線路施工和巡檢臨近帶電體的穩(wěn)定性和操作性欠佳的應(yīng)用場(chǎng)景，提出了一種改進(jìn)型模糊控制算法。仿真結(jié)果表明，模糊控制算法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，極大提高無人機(jī)的穩(wěn)定和操作性，消除了使用無人機(jī)所帶來的安全隱患，提高了電網(wǎng)一線生產(chǎn)安全監(jiān)管和巡視水平，能夠進(jìn)一步在現(xiàn)有基礎(chǔ)上開發(fā)出更多的應(yīng)用場(chǎng)景，用于進(jìn)行送電線路施工現(xiàn)場(chǎng)安全檢查、現(xiàn)場(chǎng)勘察及快速巡查基層電力設(shè)備狀態(tài)，不僅可以節(jié)約人力成本，還可以保障施工和人身安全。