携带式车用无人机机巢主动巡检设计_王健.pdf

携带式车用无人机机巢主动巡检设计王健王春明王力高明汪枫林叶佩文（国网江苏省电力有限公司靖江市供电分公司）摘要：随着经济的发展与社会的进步，电力行业作为国民经济的支柱行业也取得了显著的发展，配电网规模日益扩大，复杂化程度日益加深。因此有必要对配电网展开电力巡检，以保证配电网的安全、稳定、可靠运行。本文提出了一种携带式车用无人机机巢主动巡检系统，主要介绍了机巢巡检系统的主要构成单元及工作原理，并对机巢巡检系统的传动单元进行了参数设计，最后对机巢巡检系统的控制方案进行了设计。该携带式车用无人机机巢巡检系统体积小、重量轻、携带方便，能够实现对配电网的高精度电力巡检，具有很高的实用价值，适宜进行大规模推广应用。关键词：便携式；无人机机巢；配电网；主动巡检 引言随着无人机技术的逐步发展，无人机在多个领域都取得了很好的应用，满足了多方面的需求。在电力巡检领域，无人机发挥了重要作用，很大程度上取代了人力，实现了巡检效率的显著提高 -。但是传统的固定式无人机机巢对于安放位置要求较高，对无人机的巡检范围产生了一定程度的限制 。本文所提出的携带式车用无人机机巢巡检系统，在很大程度上摆脱了固定式无人机机巢所受的限制，大幅度提高了无人机电力巡检的工作范围，更进一步体现了智能化电力巡检 -。无人机机巢巡检系统方案本文所研究的携带式车用无人机机巢巡检系统具有易携带、体积小、重量轻的特点 -，能够直接固定在汽车上，通过车载进行定点投放，在结构上主要包括了传动单元、停机坪、感应单元、控制单元、驱动单元、机巢箱体等 -，电力作业人员可以通过手机 来对无人机机巢巡检系统进行智能化、自动化操作。具体的系统架构如图 所示。无人机机巢用于收纳无人机，无人机可以通过自动方式滑出机巢，电力巡检人员通过手机 连接到无人机机巢巡检系统，操作无人机自动滑出机巢，根据巡检任务自动起飞、自主完成巡检任务、自动返回降落 。并且可以通过车载电源为无人机机巢巡检系统提供电源，给无人机进行充电，大大提高了无人机巡检的效率，同时还可以通过手机 实时监控无人机的工作状态 -。无人机机巢巡检系统中存在两个导轨，上盖和停机坪都需要通过导轨来进行移动，上盖打开时间不超过 ，停机坪滑出时间不超过 ，因此需要对丝杠导程和电机转速进行核算。图 无人机机巢巡检系统架构滚珠丝杠负责直线运动和圆周运动的转换，包括了丝杠、螺母、滚珠、回珠器等，具有转换平稳、转换效率高、转换精度高、带负载能力强、使用寿命长的特点，滚珠丝杠导程计算方法为：()（）其中，为单位导程，为停机坪移动速度上限值，为电机转速的上限值，为传动比参数。停机坪移动速度上限值为 .，电机转速的上限值为 ，传 动 比 参 数 为 ，则 得 到 单 位 导 程 为 。上盖的打开需要位移 .，并且要求 内打开，选用转速为 的电机，打开上盖需要的时间为：（）（）则得到打开上盖时间为 ，满足要求。停机坪的位移为 .，并且要求 内打开，选电气技术与经济 研究与开发 用导程 的丝杠，转速为 的电机，则停机坪达到要求位置所需时间为 .，满足要求。所以两根导轨选择直径为 ，导程为 的丝杠，丝杠与电机通过联轴节相连接，运行转速为 。无人机机巢工作原理.无人机回收过程当无人机完成电力巡检任务，返回到出发位置后，无人机机巢电机 和电机 启动，打开上盖，停机坪滑出，无人机对停机坪位置进行辨识，完成后自主降落到停机坪上，完成无人机的固定，电机 和电机 向反方向启动，停机坪滑入，关闭上盖，无人机回到机巢内。.无人机起飞过程当无人机需要执行电力巡检任务时，从出发位置，无人机机巢电机 和电机 启动，打开上盖，停机坪滑出，机巢完成展开动作，解锁无人机固定装置，无人机收到起飞指令后飞出，按照预定的巡检路径进行电力巡检工作，起飞完成后，电机 和电机 向反方向启动，停机坪滑入，关闭上盖，停机坪回收至无人机巢中。无人机机巢巡检控制方案.控制结构将无人机的水平位置、垂直高度、飞行速度、飞行加速度作为控制目标。控制器同时对无人机的当前位置、当前速度、当前加速度进行闭环控制；由加速度进行积分计算得到的速度值和位置参数作为位置环、速度环、加速度环的反馈信号值；将位置环的输出送入速度环作为目标值；将速度环的输出送入加速度环作为目标值。采用三级闭环 控制器，大大提高了无人机在巡检中的工作稳定性。三级 控制结构如图 所示。图 三级 控制结构.起飞设计无人机机巢巡检系统配置有自主起飞控制功能，在接收到工作控制命令后，会根据设定好的巡检任务自主配置巡检高度，即便是 定位情况不理想的情况下，也能够顺利飞抵预定巡检位置。巡检系统在解除控制锁定后，能够实时采集气压计数据并完成高度计算；通过导航系统完成加速度的目标值计算，在垂直方向上，通过卡尔曼算法实现初始高度最优值的计算，并将此高度计算值与高度设定值进行比对。当运行到计算的高度值时进行高度测试分析计算；垂直方向的位置、垂直运行速度、垂直运行加速度都与计算得到的最优初始高度相关联，通过三级 控制器就能够实现对无人机高度的控制输出，从而实现对垂直高度、垂直速度、垂直角速度这三个自由度的控制，将垂直高度控制环的给定值和反馈值送入卡尔曼滤波器运算后得到初始值；这个初始值就作为速度控制环的目标值，速度控制环的反馈值由导航系统中的速度计算环节来实现，速度控制环的计算输出传输给加速度控制环，反馈值由导航系统中的加速度计算环节来实现。由无人机控制器来调节电机的旋转速度，完成垂直高度、飞行速度、飞行加速度的控制，保证无人机能够按照要求完成电力巡检工作。在完成单次垂直方向运行控制后，会反复重复上述过程，进行运动控制。.巡检路径规划无人机完成起飞动作后，会根据设定好的电力巡检任务，完成杆塔的巡检，并记录巡检数据。当 数据恢复正常后，且无人机完成起飞达到规定的巡航高度，无人机由起飞模式变换为巡检模式。将所需要的垂直高度、经度、纬度作为位置目标，进行位置、速度、加速度的三级 控制，将由 信号和加速度传感器综合得到的位置数据、速度数据进行卡尔曼滤波，从而得到了无人机的初始位置，位置控制环的输出作为速度控制环的给定值和水平位置和速度控制环的反馈值。速度控制环的输出就作为加速度控制环的给定值。在进行电力巡检前，得到高度、水平位置等作为巡检的目标位置，控制无人机飞到目标位置后进行悬停操作，执行电力巡检任务，进行数据提取存储。完成后继续进行下一步巡检任务，直到完成全部巡检任务。.降落设计无人机按照规定的路线完成巡检任务后会变换成返航和降落工作模式，回到出发位置，并自动着陆完成回收。无人机在起飞之前会存储当前的位置数据，作为电气技术与经济 研究与开发 返回时的控制目标。完成电力巡检任务后，首先进行高度调节，将返航高度控制在 ，完成高度调节后再进行水平位置调节，将起飞之前存储的位置数据作为位置调节目标检测当前水平位置参数与存储的目标位置参数，当误差小于一定条件时，则完成位置调节确认，下一步进行垂直高度控制。在高度下降控制中，通过三级 控制得到的数据作为下降目标速度值，并将其输入到导航系统作为加速度控制的反馈值。多次进行加速度检测，如果多次连续检测到加速度值为零，则认定无人机完成位置调节，进行着陆，返回机巢。运用分析采用本文提出的携带式无人机机巢巡检系统，能够在复杂密集的电力设备中稳定飞行，其巡检半径能够达到 、巡检高度能够达到 ，单次巡检时间能够达到 ，使电力作业人员从高强度的体力劳动中解脱出来，并且能够适应多种恶劣自然环境，在人工不能到达的环境下完成电力巡检任务。另外能够实现高精度的视觉电力巡检，大大提高了电力巡检的精度。结束语由于我国配电网结构复杂，通过传统的人工电力巡检，效率低下，无法快速发现配电网存在的问题。再结合巡检地貌、巡检环境等限制，巡检难度极大。本文设计的携带式无人机机巢巡检系统，能够实现对不同环境下配电网的高效率、高精度电力巡检，保证了配电网的安全、可靠、稳定运行。参考文献 王明基于多旋翼无人机固定机巢自动巡检输电线路的 控 制 技 术 研 究 电 工 技 术，（）：-徐国太，张凤涛，王向宇，魏铭辰，李福根一种车载无人机巢的机电系统设计 机械工程与自动化，（）：-崔博涛，董瑞靖，邓良超，耿文浩无人机仿地飞行在同一路线自动化巡检中的应用与研究 现代信息科技，（）：-王兆辉基于数据融合的电力线巡检无人机安全距离研究 机械设计与制造工程，（）：-李密，林旭，陈佳期，曾远强，卢雨畋论无人机高精度定位与视觉自动跟踪融合技术 科技创新与应用，（）：-甘鹏，方博，李博，张凯林，刘尧华基于改进 的输电线路无人机自动巡检方法 电子设计工程，（）：-蔡斌，李甲煌，谈重磊，梁茂祺，黄芳风电场线路无人机巡检关键技术研究综述 电工技术，（）：-黄郑，卞尹蕾，王红星，张欣，邹冰倩无先验地图条件下电力管廊无人机自主巡检方法研究 电子测量技术，（）：-刘承志，程飞，孟涛，杨昊，黄琪风电场智能巡检系统研发与应用研究 中国设备工程，（）：-鲁杰，陈建，宁岩，席海阔基于人工智能的输电线路无人机巡检技术分析 中国高新科技，（）：-王红星，黄郑，钱波，徐淇，李波基于改进人工鱼群算法的无人机红外巡检线路规划 微型电脑应用，（）：-谢幸生，张永挺，吴啓明，温佳静变电站无人机巡检的动态目标跟踪方法 计算机仿真，（）：-（收稿日期：-）电气技术与经济 研究与开发