鲁雨鑫 程勇健 刘锦鹏

摘要：该项目内容是做一架可高压线无人巡检飞行器，它可远距离监控和GPS定位。工作在高压线下，因为需要数据的传输，我们需要在每个高压塔下建立工业级基站，因为高压线塔最大距离190米，所以工业级基站完全可以覆盖整个工作区域，基站之间可以用无线连接，如果要求传输数据更加准确则可以采用光缆连接。总站可设备两台PC机用来观察图像和发布指令。高压线无人巡检飞行器的主要部分为：摄像头系统、陀螺仪平衡系统、无刷电机调速系统、GPS导航系统、无线遥控系统、串口WiFi转换系统和控制系统等组成。各个系统相互配合完成所需任务。

关键词：高压线;巡检;飞行器;STM32;

1、简介

此项目的研究目的在于，高压线塔是电力传输的重要组成部分，飓风和暴风雪是高压线塔的最大威胁，非常容易造成高压线塔的断裂和倒塌，对电力设施检测是重要的环节，对高压电线的检测需检测人员爬上高大高压架上检测，不仅会带来生命威胁，还费时费力劳民伤财，检查环境也很艰苦和恶劣。此次创新项目的主要内容就是针对这一现象设计出能远距离操控和传输图像录制图像自身可GPS定位的高压线无人巡检飞行器，以解决目前的难题，保证高压电力的传输安全实现高压线塔远程监控和钢架状况诊断。

本项目采用四旋翼飞行器作为巡检工具，它是一种电动的、能够垂直起降的、多旋翼式遥控自主飞行器，微小型四旋翼无人机能够适应各种环境;具备自主起飞和着陆能力，高度智能化;能以各种姿态飞行，如悬停、前飞、侧飞和倒飞等，具有广阔的应用前景。

2、巡检系统整体设计与论证

1）巡检系统设计

本项目设计了一种基于WiFi的高压线无人巡检飞行器系统，实现了四旋翼的飞行稳定控制及WiFi高速数据通信，实时传输视频等大带宽数据。巡检飞行器系统，该系統采用小型四旋翼作为运载平台，高性能的STM32F103单片机做为飞行控制核心，直流无刷电机电调为动力驱动，利用多维陀螺仪加速度计等传感器检测姿态信息，通过互补滤波等进行数据处理及姿态解算和融合，得到姿态角，采用双闭环（串级）PID控制方法，实时修正飞行姿态，通过组建WIFI网络，实时传输摄像头拍摄的视频数据，为解决WIFI通信距离短的问题，采用了WDS技术，即无线分布式系统，通过铺设临时热点“基站”，中继无线信号，能有效地扩展WIFI无线信号的覆盖范围。

2）方案论证

（1）巡检平台的论证

四旋翼飞行器作为巡检平台。

可用于电力输电线路巡检的无人飞行器有很多种类，一般可分为多轴的、固定翼的以及直升的三种结构形式，按这三种结构类型可得如下方案：

方案一：多轴结构形式的飞行器，根据螺旋桨数量的不同，又可细分为四旋翼、六旋翼、八旋翼等。一般来说，旋翼数量越多，飞行的就会越平稳，操作相对就越更容易，当然啦，载重也更大，功耗也会更多。

方案二：固定翼结构形式的飞行器外形像“十”字或“士”字，机翼与机身垂直。这类飞行器一般需要一定起飞条件或场地，譬如说需要滑翔跑道进行起飞或着陆等。续航、载重以及抗风等能力较上述旋翼机强。

方案三：直升结构形式的飞行器，一般体型较大、油动驱动、需要专业操作人员操控，鉴于体型较大、操作技术难度大等不便造成该类飞行器在民用市场应用的较少。

鉴于实际及多旋翼飞行器的优越性，我们采用方案一，且采用四旋翼无人飞行器作为最终的运载平台。四旋翼无人飞行器是一种具有4个螺旋桨的飞行器并且4个螺旋桨呈对称的“十”字形交叉结构，对角的电机转向相同、不对角（相邻）的电机转向相反，其结构小巧、简单、易于操作，特别适合用于巡检、侦察等任务。

（2）视频数据通信方案论证

电力线路检测无人飞行器的关键技术问题之一的大带宽长距离数据通信问题一直是研究难点及热点，那么目前用于小型无人飞行器通信的技术或手段主要有以下几种：

第一：利用数传电台

数字式无线数据传输电台，简称数传电台，这是目前使用最为广泛的通信方式，通信距离比较远，可以达到数公里，一般用于传输控制指令等数据，但是面对高清图像视频等对传输带宽大的数据就有点力不从心了，虽然目前有针对视频图像传输提高发射功率的图传模块，也能传输视频图像数据，但面对不断提高的电力线路检测效率与精度要求，需要传输越来越大带宽的数据，显然数传电台不能满足未来发展需要。

第二：利用4G/5G网络

随着移动通信网络的高速发展，特别是近年来4G/5G高速蜂窝网络的发展普及，部分厂家提出了在巡检无人机上4G/5G网络模块的解决方案，这样就可以通过4G/5G高速网络将监控信息传回监控中心或者接入Internet远程实时监控无人飞行器。采用此方案具有传输距离极远，且不受山川地形的限制，还能远程监控。但目前4G/5G网络覆盖的还不够全面，特别是一些偏远山区，信号质量也是个问题，且4G/5G网络是按流量收费的，对于传输视频等大带宽数据，不是很经济。应用受到一定限制。

第三：利用卫星通信

采用卫星通信通信方案，无人机采集视频图像信息，通过车载卫星转发系统将信息转发到监控中心。该方案可以实现电力线路及铁塔的现场监控，达到超远距离无限视频图像传输，但是卫星通信费用高昂，且通信延迟较大，易中断，同样，应用也受到限制。

第四：采用WLAN无线局域网路

目前部分无人机玩具上采用了WiFi无线局域网路，主要用来航拍录像等，但传输距离很有限，往往一般就几十米有效距离。很少有应用到电力线路检测方面。

参考文献

[1]李劲松，杨炼，王乐天.小型四旋翼无人直升机自适  应优化控制[J].上海交通大学学报，2015（2） ： 202-20.

[2]邹存名，姚婷婷，岳伟，等.多种算法下的四旋翼飞行器高度控制设计[J].控制工程，2017（1） ： 28-32.

[3]李航，王耀力.四旋翼飞行器中PID控制的优化[J].电子技木应用，2017（2） ： 73-76.

[4]万晓凤，康利平，余运俊，等.互补滤波算法在四旋翼飞行器姿态解算中的应用[J].测控技木，2015， 34（2） ： 8-11.

基金项目：省级大学生创新创业训练计划（项目号202110201087）资助项