CN115793705A - 一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断*** - Google Patents

Abstract

一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，包括地面测控、监控站以及无人机子***；地面测控、监控站的控制内容包括：飞行器的飞行过程，飞行航迹，任务载荷的任务功能，通信链路的正常工作以及飞行器的发射与回收；无人机子***包括机载平台、飞行控制模块以及飞行任务规划模块；机载平台由多旋翼无人机和可控图像信息采集装置组成，多旋翼无人机包括机架、机翼、电机/桨叶、飞行控制器模块、姿态传感器、卫星定位模块以及高密度电池组件，可控图像信息采集装置包括挂架、X射线源和X射线感光胶片。本发明与常规人工巡线相比，不受地形限制、巡线效率大大提高，能够降低人工劳动强度、减少作业风险。

Description

一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***

技术领域

本发明涉及电力设备检测技术领域，具体涉及一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***。

背景技术

无人机(UnmannedAerialVehicle，简称UAV)是一种由无线遥控设备或由程序控制操纵的无人驾驶飞行器。它不需要飞行员在机舱内进行驾驶，飞行过程由电子设备控制自动进行。飞机上不用安装任何与飞行员有关的设备，这样就有效地节省和利用空间装载应用设备以完成赋予它的各种任务。无人机与有人驾驶飞机的最大区别是，单纯依靠无人机本身是不能完成任何任务的，它需要一套严密的控制***和根据任务需要搭载的应用设备，所以无人机也称为无人机***。

以无人机为飞行平台，利用高分辨CCD相机或探伤设备获取影像信息，利用空中和地面控制***实现影像的自动拍摄和获取，同时实现航迹的规划和监控、信息数据的压缩和自动传输、影像预处理等功能，可广泛应用于国家生态环境保护、航空摄影、测绘、矿产资源勘探、灾情监视、路桥施工、交通巡逻、电力巡线、治安监控、应急减灾、应急指挥、人工降雨、国防安全、国土资源勘探、城镇规划、地震调查、环境监测、森林防火、农作物估产、保护区野生动物监测、大气取样、海事侦察、边境巡视、禁毒侦察、消防侦察、生态环境保护、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农作物长势监测与估产、农业作业、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、森林病虫害防护与监测、数字城市等领域。

传统的电力线路巡视流程是工作人员现场巡视线路，巡线人员是否巡视到位无法动态管理，当遇到冰雪水灾、地震、滑坡等自然灾害时，巡线工作也无法开展。此外，架设电塔的一些山区里既有猛兽和有毒生物，也有猎人布下的陷阱和捕兽夹，这都对巡线人员的人身安全构成了威胁。

“用上无人机，这些影响因素都不是事！”，采用无人机巡查线路的优势显而易见，它不仅可以对输电线路本体缺陷、通道隐患进行快速检测，特别是在各种复杂地形、恶劣气候、灾害天气下，可及时、准确、高效地获取现场信息，可有效地避免各种危险。尤为重要的是，无人机巡线提高了电力维护和检修的速度和效率，使许多工作能在完全带电的情况下迅速完成，比人工巡线效率高出40倍。

无人机是如何变成巡线“智能千里眼“的？无人机上安装了稳定的可见光检测仪与成像仪等设备，可以对输电线路进行检查和录像，具有高科技、高效率、不受地域影响的特点。而且，无人机还可以通过悬停、定点拍照等功能，瞬时将电力设施设备状况、线路通道等画面实时传送至地面控制台，实现前后方“零距离”协同作业。

在夜晚，无人机的火眼金睛同样也能发挥作用，无人机搭载的热成像设备，可以通过温度异常变化对比值，发现隐蔽性较强的故障点，比如导线、线夹、引流线有无发热点，绝缘子、杆塔有无击穿发热等。结合传统可见光巡线，热成像巡线能顺利完成夜间输电设备故障巡检，大大提高故障点检测的准确性，为故障抢修赢得宝贵的时间。

由于架空输电线路的覆盖区域广、穿越区域地形复杂并且自然环境恶劣，线路基础、杆塔、导地线、金具等受到外界侵害而出现缺陷和隐患，导致线路故障跳闸威胁电网的安全和稳定运行。为了掌握线路的运行状况和及时排除缺陷和隐患，供电企业每年要花费巨大的人力和物力资源进行巡线工作。现阶段运用最广泛的巡线方法是人工周期巡线，这种方法劳动强度大，而且耗时多、效率低下，有些线路受制于地形因素造成线路巡视异常困难。而无人机技术的发展为架空输电线路的巡线提供了新的移动平台。

现代无人飞机是一个复杂的集航空、电子、电力、侦察、地理信息、图像识别等一体化***，涉及航空、飞行自动控制、通信、红外成像、地理信息、卫星导航等多个高尖技术领域。现代无人机由于具备高空、远距离、快速作业的能力，在测绘、航拍、军事、抗灾等方面得到应用。由于无人机飞行控制技术的发展，可进行遥测数据链控制、地理匹配控制、GPS卫星定位控制，控制操作过程简单可靠、运行稳定，经济性能高，不受气候的影响，续航能力长、速度快，现在已经出现现代无人飞机代替有人飞机进行各种工作的情况。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术中通过人工巡检的方式检查输电线路的不足，提供一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***。

本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，包括地面测控、监控站以及无人机子***；

所述地面测控、监控站为整个***的指挥中心，其控制内容包括：飞行器的飞行过程，飞行航迹，任务载荷的任务功能，通信链路的正常工作以及飞行器的发射与回收；

所述无人机子***包括机载平台、飞行控制模块以及飞行任务规划模块；

所述机载平台由多旋翼无人机和可控图像信息采集装置组成，多旋翼无人机包括机架、机翼、电机/桨叶、飞行控制器模块、姿态传感器、卫星定位模块以及高密度电池组件，可控图像信息采集装置包括挂架、X射线源和X射线感光胶片；

所述机体由呈十字状分布的四个空心管轴及位于飞行器中心位置的双层连接板组成，上层的连接板用于安装飞行控制板及导航定位模块，置于下层的连接板主要起支撑作用，与上层连接板一起通过尼龙柱将四根空心管轴紧紧结合在一起；

所述飞行控制器模块由飞行控制器、AHRS模块、传感器和电机调速电路模块组成，AHRS模块用于感知无人机的航向与飞行姿态，飞行控制器将其反馈的姿态信息和传感器的信息进行处理，通过调节PWM信号占空比来控制电机转速，使飞行器按要求稳定飞行或执行相应动作；

电机调速***采用PWM的方式，通过I2C总线与飞行控制器通信，接收PWM占空比信号值。代码采用C语言编写，实现上电机启动、电机控制与电机保护功能；

导航定位模块包括地理信息***、北斗卫星导航***和电子罗盘，通过三者的结合达到飞行器按预定航线的飞行。

作为本发明一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***的进一步优化：所述飞行控制器为基于STM32F407的飞行控制器。

作为本发明一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***的进一步优化：所述飞行控制器模块还包括气压高度计、避障传感器、图传模块、数传电台及数码摄像机。

作为本发明一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***的进一步优化：所述飞行器的机体采用碳纤维材料，各结合部位使用尼龙柱及尼龙螺母咬合。

作为本发明一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***的进一步优化：所述多旋翼无人机的动力由八个相同的子***构成，且它们轴对称地分布在机身的八个角上，每个子***由一个双叶旋翼和一个小型无刷直流电机组成。

作为本发明一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***的进一步优化：所述电机选用新西达2212系列KV1000小型无刷直流电动机，双叶旋翼为两对18英寸正反桨。

作为本发明一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***的进一步优化：所述高密度电池组件为10000mAh/25C/DC/11.1V的锂电池组。

作为本发明一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***的进一步优化：所述无人机的起落架直接安装在飞行器的八个管轴上，每个管轴的末端都装有一个可活动的支架，支架由碳纤维材料制成，上面开有大小不等的孔，以减少整体重量，支架与管轴通过尼龙螺母连接。

作为本发明一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***的进一步优化：所述电机调速电路模块使用控制芯片内部计时器作为检测调速信号的基准时钟，定时器工作在8分频模式下，T0用作***时钟定时器，T1和T2用作PWM信号发生器。

作为本发明一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***的进一步优化：所述飞行控制器模块还包括电机保护模块，电机启动之前，程序先检测电源电压是否在额定范围内，如果电源电压小于10V，则发出报警，禁止起飞。

有益效果

本发明具有以下有益效果：

一、与常规人工巡线相比，不受地形限制、巡线效率大大提高，可将拍摄的数据带回分析，使得巡视不留死角，降低人工劳动强度、减少作业风险；

二、与常规人工巡线相比，不受气侯条件的影响。利用无人机进行输电线路巡线，由于无人驾驶，可以在恶劣的气候条件下，如雨、雪、雾等恶劣气象条件下进行日常巡线和故障巡线，安全性能高、机动性能好以及快捷、方便、高效；

三、与常规人工巡线相比，可实现快速巡线，迅速通过巡检仪器对线路杆塔、导地线、金具等元器件存在的缺陷进行监测、摄像、拍照，实时回传，实时决策，效率是传统人工巡视的数十倍；

四、能够查找出架空输电线路重要部件、重要位置的绝大部分缺陷。能够查找架空输电线路的基础、塔身、横担、导地线、绝缘子、金具等存在的缺陷，也能够检测线路走廊超高树木、超高违章构筑物等危及线路安全运行的问题。

附图说明

图1为地面工作站的工作流程示意图；

图2为GPS差分定位结构、原理图；

图3为机载平台的连接关系示意图；

图4为机载平台的组成结构示意图；

图5为无人飞行器***结构图；

图6为电机调速***流程图；

图7为导航原理示意图；

图8为接收***原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，包括地面测控、监控站以及无人机子***；

如图1所示：地面测控、监控站为整个***的指挥中心，其控制内容包括：飞行器的飞行过程，飞行航迹，任务载荷的任务功能，通信链路的正常工作以及飞行器的发射与回收；

无人机子***包括机载平台、飞行控制模块以及飞行任务规划模块；

如图3所示：机载平台由多旋翼无人机和可控图像信息采集装置组成，多旋翼无人机包括机架、机翼、电机/桨叶、飞行控制器模块、姿态传感器、卫星定位模块以及高密度电池组件，可控图像信息采集装置包括挂架、X射线源和X射线感光胶片；

机体由呈十字状分布的四个空心管轴及位于飞行器中心位置的双层连接板组成，上层的连接板用于安装飞行控制板及导航定位模块，置于下层的连接板主要起支撑作用，与上层连接板一起通过尼龙柱将四根空心管轴紧紧结合在一起；

飞行控制器模块由飞行控制器、AHRS模块、传感器和电机调速电路模块组成，AHRS模块用于感知无人机的航向与飞行姿态，飞行控制器将其反馈的姿态信息和传感器的信息进行处理，通过调节PWM信号占空比来控制电机转速，使飞行器按要求稳定飞行或执行相应动作；

电机调速***采用PWM的方式，通过I2C总线与飞行控制器通信，接收PWM占空比信号值。代码采用C语言编写，实现上电机启动、电机控制与电机保护功能；

导航定位模块包括地理信息***、北斗卫星导航***和电子罗盘，通过三者的结合达到飞行器按预定航线的飞行。

GPS定位精度取决于多种因素的综合作用结果，主要包含卫星设备误差、星-地间传输误差和地面收设备误差。这些误差按照属性可分为三类，其一是每个接收机都有但非接收机自身产生的误差，如***标准时钟误差、天体运行计算误差、空间传输延时等，可以通过技术手段完全消除，如差分定位；其二是基准站与接收机之间的传输延时误差，大小取决于两者之间的距离，通过技术手段可部分消除；其三是每个地面接收设备存在的误差，如设备噪声误差、多径效应误差差、处理延迟等，不能通过技术手段予以消除。

有别于普通定位方法，差分定位法需要增设一个或多个基准接收站。所谓基准接收站是指将该接收站放置在已知精确坐标的位置，基准接收站实时接收定位卫星信号并解算出坐标参数，解算坐标与已知精确坐标对比得到改正值(或称修正值)并发送给其他用户接收机。用户接收机接收卫星信号解算自身坐标参数得到未修正的坐标值，然后实时用标准站送来的改正值进行坐标修正，以获得较高的定位精度。本设计在分析对比各种差分定位方法后，采用单基站局域差分定位法，其原理与组成适用如图2所示。

GPS的主要功能是空间位置测量和受时，GPS提供的民用级定位精度存在约10m-20m误差。针对可变喷施作业的无人机，完成的是精细作业任务，要求航迹规划误差小、定位精度高、飞控***动态特性好，所以需要采用差分式GPS定位方法。差分GPS定位方法有多种，复杂程度和实现难易程度不同，成本也不同，综合考虑本设计采用局域单基准站差分方法。

安全问题是无人机巡线所面临的最大挑战。采用无人机空中进行电力巡线，关键环节的探伤与图像采集，能够克服利用有人驾驶的直升机进行巡线的维护费用昂贵、受气候条件限制等弊端，但无人机巡线、悬停、精确定位过程中，难免会遇到风力、风向、高度计和卫星定位信号漂移等因素的影响，无人机巡线***虽然具有3D程控飞行技术，但是仍然欠缺应对预期外的紧急避让与精确可控定位机制；通过无人机携带X射线成像设备进行搭接线诊断过程中，存在设备的搭载方式、搭接卡识别与定位、设备接近于固定、控制采集信息、设备离线操作的一系列技术问题；无人机是通过GPS方式进行导航的，

由于GPS存在误差，所以无人机在执行任务的过程中可能会出现偏离预定航向的情况，造成无人机与输电线路或其他障碍物发生碰撞；在经过交跨线时，如果无人机飞行高度不够，同样存在与线路发生碰撞的危险。因此，提升巡线作业的可靠性，有必要开发一套精准可控定位无人飞行器***，实现无损探伤设备的在线故障诊断。

小型低空无人飞行器用无线遥控器或附加自动驾驭仪来实现规定要求的飞行，常以固定翼作为载体，但固定翼本身的结构特性限制了其发挥的效用，不能实现固定点的起飞和降落，且到达预定点之后，飞行器很难实现悬停或小范围内的相对稳定运动来完成待定的任务。

与传统飞行器相比，小型四旋翼低空无人飞行器有着不可比拟的优势，能够垂直起降，只需通过改变四个电机的转速即可实现飞行器飞行姿态的控制，使飞行更机动更灵活。另一方面，小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能，具有在小区域范围内定点起飞、悬停的能力。飞行器可以飞至离目标更近的区域，而不像传统固定翼飞行器不能悬停，也不像直升机由于巨大的旋翼而不能靠近目标。因而，将传统的UAV技术应用在四旋翼飞行器上，将其实用化，意义重大。

本项目设计的八旋翼飞行器功能目标是设计完成一架可实际飞行的八旋翼飞行器样机，样机根据***软硬件设计的要求，不仅能完成基本的飞行动作(垂直起降、前进、后退、悬停等)，还可以搭载摄像机或照相机实现遥控/自主的低空飞行。遥控飞行可以在半径5000m的范围内采视频和图像信息，并将信息通过无线方式传送回来。自主飞行通过北斗II代联合GPS导航，可以实现半径5000m范围内的航点飞行，并按要求完成一些相对复杂的侦察任务。

为了满足八旋翼无人飞行器的飞行需求，飞行器控制***通常由飞行控制器、AHRS

(航向姿态参考***)、各传感器和电机调速电路等模块组成。AHRS用来感知飞行器的航向与飞行姿态，飞行控制器将其反馈的姿态信息和其他特定传感器的信息进行处理，通过调节PWM信号占空比来控制电机转速，使飞行器按要求稳定飞行或执行相应动作。本项目设计的***包含基于STM32F407(ARMCortex-M4系列嵌入式处理器)的飞行控制器、航向姿态参考***模块、气压高度计、北斗导航定位模块、避障传感器、图传模块、数传电台及数码摄像机等组成，***结构如图5所示。

飞行器机体设计包括机身材料的选择、能源与动力装置的设计、起落架等。

(A)机身设计

对飞行器角速度产生影响的主要因素包括：飞行器本身绕三轴的转动惯量、电机的转动惯量、电机重心与飞行器重心的间距。飞行器设计要求这三个常数要尽可能的小，以减少转动惯量对飞行控制的干扰。因此，飞行器机体总体设计应要做到：总重量尽可能轻、电机重量尽可能轻及电机尽可能靠近飞行器中心安放。

按轻量原则可确定飞行器机架宜采用工程塑料、玻璃纤维、碳纤维或轻铝合金等轻质刚性材料制作，并尽量做到一体化，以减少螺丝、柳钉等连接零部件的使用。综上，飞行器机身采用碳纤维材料，各结合部位使用尼龙柱及尼龙螺母咬合。机体主要由两部

分组成：呈十字状分布的四个空心管轴及位于飞行器中心位置的双层连接板。其中，上层的连接板用于安装飞行控制板及导航定位模块，置于下层的连接板主要起支撑作用，与上层连接板一起通过尼龙柱将四根空心管轴紧紧结合在一起，形成牢固的飞行器机身。最终完成后，机身总重量(包含起落架)在3860g左右，满足目标性能。

(B)能源与动力装置设计

飞行器动力装置提供的升力由八个相同的子***构成，且它们轴对称地分布在机身的八个角上。每个子***由一个双叶旋翼和一个小型无刷直流电机组成，全部的升力都由旋翼产生。小型无刷直流电机不但扭矩大、重量轻，而且不需要为其制作减速箱，电机轴可以通过桨夹直接与旋翼连接，电机选用新西达2212系列KV1000小型无刷直流电动机。由于机体长宽要求不超过1200cm*1200cm，因而宜选用直径不超过60cm的中型航模用旋翼，本项目使用两对18英寸正反桨。

飞行器能源装置直接制约飞行时间，通常选用可重复使用的充电电池组。锂离子聚合物电池，具有重量轻、密度大、充电方便等优点，与相同容量的镍氢电池相比，重量减少了一半、体积减少了30％，特别合适短时间的航模飞行。电池组的电压配置根据实际目标飞行时间及动力装置的设计来确定，本项目选用10000mAh25CDC11.1V的锂电池组，试验在使用此电池组供电时每个旋翼可以产生最大约50N的拉力，使用8只电机时理论上可以拉起32kg的重量，但由于飞行器控制余量和电机转速过快造成的陀螺扭矩，实际拉起重量有所降低，可飞行30min左右，满足性能要求。

(C)起落架

起落架是飞行器着地时，整个机体重量的承受部件，必须具有良好的支撑和减震功能，以保护飞行器降落时震动对部件的损坏。传统直升机起落架是一组平等的固定轴加上减震装置，安装在机身的正下方，或是由一圈圆形的减震环组成。

考虑到八旋翼飞行平稳、垂直起降的特点，本项目起落架采取与传统不同的方式，而是直接安装在飞行器的八个管轴上。每个管轴的末端都装有一个可活动的支架，支架由碳纤维材料制成，上面开有大小不等的孔，以减少整体重量，支架与管轴通过尼龙螺母连接。理论上，支架越靠近管轴的末端，降落过程越平稳，受力也越平均。为减少操作不当造成飞行器快速下降带来比较大的震动，在每个支架底部安装一块硬海绵减震片，实验验证这种安装方式，不仅方便而且在正常起降情况下有着良好的性能。

无人飞行器软件部分设计

(1)电机调速***程序设计

从实验用旋翼拉力测试平台测试的结果看出，电机转速与旋翼产生的拉力没有精确的关系式，同时还受电机参数、旋翼结构与尺寸的影响，因而，电机调速***很难做到精确地控制，通过软件不断优化来获得良好地控制性能。电机调速***采用PWM的方式，通过I2C总线与飞行控制器通信，接收PWM占空比信号值。代码采用C语言编写，实现上电机启动、电机控制与电机保护功能。电机调速***流程图如图6所示。

(A)电机启动程序设计

硬件启动方式不适合电路要求尽量简单的航模领域，本项目采用软件控制启动电机调速***。由于反电势检测法，只有在电机正常转起来之后才适用，而在电机静止状态下无法获取电机转子的实际位置，从而无法使用反电势过零检测法进行换相；同时，电机在低速转动状态下，反电动势输出极低，也无法用反电势过零检测法进行换相。关于无刷直流电机软件启动算法，一直是学术界的热点话题，其核心思想是先让电机运行到比较快的速度，使反电势输出正常，然后利用过零检测法使电机正常工作和换相。程序首先让AB相通电足够长的时间，使得转子在预定位置固定下来，然后依次换AC、BC、BA、CA、CB相，每步通电时间设置为上步时间的14/15。随着电机转速的增加，转子转动加快，每步的通电时间逐渐减少，这样换相若干次后(程序设置为32次)，则认为启动成功，进入无刷直流电机运行状态。

(B)电机控制程序设计

直流电机通过电压进行调速，电压越高，转速越快，反之，转速越慢。单片机最高输出电压只有5V且不能直接输出可调直流电压，利用其脉宽调制(PWM)方式进行电机控制，PWM占空比越高，等效电压就越高，反之，等效电压就越低；PWM波形经过MOS管组成的驱动电路，放大电压，从而驱动电机工作。电机调速***使用控制芯片内部计时器作为检测调速信号的基准时钟，定时器工作在8分频模式下，T0用作***时钟定时器，T1和T2用作PWM信号发生器。

(C)电机保护程序设计

为了防止供电电压过高或过低、电机堵转、控制信号中断、电路故障等意外情况引起的电流过大烧毁电机，需要设计保护程序。电机启动之前，程序先检测电源电压是否在额定范围内，如果电源电压小于10V，则发出报警，禁止起飞。

若电压检测正常，则进入马达及MOS管检测。首先检测电机否正常工作，给电机一个很小的驱动，程序设置PWM＝5、某两相通电300ms，如果电流超过15A，说明驱动有问题，禁止电机启动。MOS管按组方式进行检测，关闭所有中断，先测试每一相的MOS管开关陵哨特性，保证同一相两个MOS管不会同时导通，然后分别测试每相的上下臂MOS管能否导通。

(2)导航路径算法程序设计

***导航控制策略通过地理信息***(GeographicalInformationSystem，GIS)、北斗卫星导航***(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)和电子罗盘三者的结合，达到飞行器按预定航线的飞行。GIS将空间位置和地理属性数据融合在一起，支持计算机存储、查询和显示，借助PC可将所需飞行空间进行可视化的信息表达，并提供带有经绊度的地图。在飞行器未飞行状态下，***将地图和预设的航点通过无线通信模块发送给飞行控制器，通过遥控设备启动飞行器并上升到指定高度后，切换到地面站软件控制方式，随即飞行器进入航线飞行模式，同时数传模块将飞行器的经纬度、航向和姿态信息反馈到地面站，经过坐标变换后将飞行器位置在地图上显示并记录，从而实现对航线的可视化和航线飞行。

规定地理航向角为机头或罗盘方向与地理北极顺时针方向的夹角，假设目标航点B、机头方向如图7所示。

夹角分别为φ1和φ2。飞行器当前位置A的经讳度由机载GPS获得，目标航点的经讳度由地图信息给出，飞控解算出目标航点与正北夹角φ1及当前的航向角φ2(两角度均在0～360°)。当飞行器到达A点，随即进入悬停状态，高度由地面站控制，由于飞行器体积小、质量轻，实际飞行中将飞行高度控制在20m以下，以减小风力对飞行器姿态的影响。之后飞控比较φ1和φ2的大小，通过电调驱动调整电机2和4(逆时针旋转)的转速，并保持电机1和3(顺时针旋转)的速度不变，使飞行器顺时针或逆时针滚转，调整机头方向与φ1角一致。

为了使转动角度最小，即转动的角度小于等于180度，采用如下的转动策略：

(A)φ1>φ2，φ1-φ2>180°，机头顺时针转向；

(B)φ1>φ2，φ1-φ2≤180°，机头逆时针转向；

(C)φ1<φ2，φ1-φ2>180°，机头逆时针转向；

(D)φ1<φ2，φ1-φ2≤180°，机头顺时针转向。

当飞行器转向完成后，此时航向角由φ2转成φ1，飞行器再次进入航线模式，理想状态下经直线运动到达目标点B。实际***在飞行过程中，航向会有轻微的漂移，不可能准确到达地图给定的经纬度，***通过简单的比较算法来解决这个问题。飞行控制器每隔一定时间，比较当前经纬度与目标点的经纬度，当误差小于设定值时，即认为飞行器到达了目标航点，继而转向下一航点。

(3)实时图像传输算法程序设计

由于无线电频谱资源非常有限，现在通信发展使用的频道变得很拥挤，划分给各种无线通信设备的带宽资源也十分有限，各个相邻信道之间的干扰变得很严重。因此在无线通信***中，选择适当的频率和使用带宽变得相当地重要。

1985年，美国联邦通信委员会(FCC)授权普通用户可以在ISM(工业，科学，医疗)频段上使用，这些频道属于自由频段，包括902-928MHz(可使用的频段带宽为26MHz)，2.4GHz频段2400-24835MHz(可使用的频段带宽83.5MHz)，5.8GHz频率上可划分5725-5850MHz(可使用的频率带宽125MHz)。允许在低的发射功率下能直接使用ISM频段，极大的推动了无线产品技术的发展。

由于ISM的频段是对所有无线电***都是开放的频段，因此无线局域网，蓝牙，Zigbee等无线网络，大都工作在2.4GHz频段上，使用中有可能遇到不可预测的干扰源。而现在5.8GHz频段相对于2.4GHz***来说，有非常高的技术优势，因为在5.8GHz这个频段内，图像载频高，传输距离远，通信速度快，其它干扰电磁波比较少，所以在此频段内背景噪声小，信号相互干扰的程度比较低，可使用125MHz的频宽来得到更快的传输速率。实际应用中保证视频的可靠性和高质量实时传输图像。本项目研究5.8GHz频段内的视频接收与发送***的设计，设计接收时采用一些市场容易买到的元器件，在接收终端接显示器，不需要进行视频解压缩处理，减少了电路成本，满足实时图像监控***的需求，具有较高的实用价值和广阔的应用前景。

接收机假若没有噪声，不管信号如何微弱，只要充分地加以放大，信号总是可以被检测出来。但是，实际上不可避免地会有噪声，它与微弱信号一起被放大或衰减，阻碍着对信号的检测，噪声是限制接收机灵敏度的主要因素。因此，接收机的低噪声设计就显得十分重要。本项目设计的接收***方案如图8所示。

从天线接收到微弱的射频信号，先经过低噪声放大器和带通滤波器，与本振信号下变频得到中频信号；经过低通滤波器滤除高频成分，通过可控增益放大器及声表面滤波器后，用中频放大器来补偿滤波器的插损后得到合适的中频信号，后接解调芯片得到基带信号，同时产生AGC信号来控制可控增益放大器来保证接收机的动态范围。得到的基带信号经放大和去加重，再滤除高频成分，最后经过缓冲放大器得到视频信号在接收***设计中，由接收机噪声系数分析可以得出，若把镜像抑制滤波器放在第一级，则对接收机灵敏度有很大的影响，其***损耗直接降低了接收机的灵敏度，因此为了满足***的灵敏度要求，把低噪声放大器放在接收机的第一级。另外中频部分采用高中频值，以提高抑制镜像频率干扰的能力；中频滤波器的带宽决定了整个接收机的噪声带宽，对接收机的性能有很大的影响。放大器、变频器、滤波器应当良好匹配，才能保证***良好的发挥功能。本项目主要研究关键射频技术，主要设计射频和基带部分的电路，对频率合成器、滤波器和自动增益***的基本理论和设计过程进行详细的介绍，并给出设计的电路和测试结果。设计得接收***配合无线发射***使用可以实现无线视频传输。

(4)上位机管理软件设计

上位机软件主要实现参数配置、飞行器姿态信息查看、遥控器通道映射及北斗航点信息发送的功能，数据采集部分使用C#编程实现上位机界面与飞行器间的串口通信功能，遥控器通道配置及北斗航点使用开源的MikroKopter-Tool环境开发。

C#是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NETFramework之上的高级程序设计

语言，C#是面向对象编程的，使得程序员可以快速地编写各种基于MICROSOFT.NET平台的应用程序，并且MICROSOFT.NET提供了一系列的服务及工具，可方便地实现计算机与通讯领域间的编程。与C++开发不同，C#所开发的程序源代码并不是编译成能够直接在操作***上执行的二进制本地代码。它先被编译成为中间代码，然后通过.NETFramework的虚拟机(被称之为通用语言运行时CLR)执行，所有的.Net编程语言都被编译成MSIL

(MicrosoftIntermediateLanguage)形式的中间代码。编译完成后，程序生成.exe文件，但这种与传统意义上的可执行文件有本质的区别。实际上，计算机上如没有安装.NetFramework程序，那么编译之后的程序仍不会能直接运行。运行程序

时，.NetFramework先将中间码翻译成计算机能够识别的二进制码，确保程序能正确的运行。最终生成的二进制代码存储在一个Buffer(缓冲区)里面，如果运行过程中程序使用了相同的代码，那么计算机将会调用缓冲区中巳经存储的版本。这样一个.Net程序第二次被运行时，则不需要进行二次翻译，启动和运行速度会明显加快。

界面设计遵循模块化、直观性强、易操作的原则，先使用C#的窗体设计器生成主界面控件，然后编写串口通信的代码，激活这些控件的功能。C#窗体设计器函数privatevoidInitiaHzeComponent()生成数据采集部分的窗口，窗口分成波形显示区、通道选择区、串口设置区及电机测试区。软件3D模式模拟飞行器的飞行姿态，根据读到的三个姿态角信息，进行不同角度的旋转。

MikroKopter-Tool是用于MK开源项目的调试软件，软件集成了四旋翼会用到的基本功能。通过修改软件的源代码，增加项目所需的功能，缩短了软件开发时间，可以将重点放在八旋翼其他功能的实现上。软件与GoogleEarthAPI接口相连，能够快速导入地图，地图的经讳度信息通过查询GoogleEarth查询后，手动编辑到地图中。通过鼠标可以缩小、放大和移动地图，并实行显示鼠标所在位置的经讳度信息及海拔高度；点击鼠标编辑航点，并依次自动将航点连成航线。

航点地图导入界面实现航点地图导入，导入地图后，软件自动弹出地图上下左右4个点的经纬度信息设置提示框。上下两个输入框用来输入4个角的纬度信息，水平方向上两角的纬度一样；左右两个输入框用来输入4个角的经度信息，垂直方向上两角的经度一样。通过这几个值的组合就能确定地图各顶点处的经纬度，经过比例解算，就能得到整幅图任意一点的BDS位置信息。

硬件制作与***调试

由于试验飞行的需要，本项目先将***的硬件设备安放在结构性能比较出色XAircraft机身上，调试成功后，再移植到本项目所设计的八旋翼机身上。机身正中间为硬件电路部分，最上面为北斗天线(保证北斗不被其他部件遮盖，以免影响正常工作)，下层依次为安装有磁阻计的导航板和飞行控制主板。

(1)硬件电路制作

硬件部分的设计完成后，需要根据进行PCB原理图的绘制、PCB板制件及各部分模块的焊接。本项目八旋翼小型低空无人飞行器各模块采用高内聚、低藕合的原则进行设计，将整个硬件***分成若干相对独立的子模块，模块之间采用UART、I2C等通信方式构成整套***。各相对独立的模块包括飞行器控制主板、电机调速***、RS232-USB接口、遥控信号接收板，这些电路板的设计都要根据一般绘制PCB的原则进行绘制，同时要综合考虑元件器布局、元件的电气特性及板型的简洁美观。PCB设计遵循以下原则：

(A)元件器布置尽量均匀整齐，相关的器件尽量靠近，预留接口和开关元件放在电板板边缘；

(B)在关键元件器如ARM芯片、传感器等旁边需要加上0.luF的退藕电容；

(C)对震动敏感的传感器，如三轴加速度计和陀螺仪尽量放在板中间，以减少震动的影响。

飞控板是硬件电路设计的核心部分，电路板上有传感器模块、电平转换电路及与其他模块的通信接口等。飞控板设计尺寸为50*50mm，附加蜂鸣器和两个LED，红色为电源指示灯，绿色为程序指示灯，用来检测飞控的工作状态是否正确。主板通电后，打开开关，红色LED点亮，同时主板发出警报声，然后绿色LED点亮，飞控进入自检状态：若检测电调正确，刚电调上的指示灯变成绿色(正常状态)；若检测到PPM板接收信号，则警报声消除，同时PPM板上的指示灯变成绿色；若检测到PPM板处于无信号状态(未连接PPM板或遥控器未打开时都是无信号状态)，则警报声持续。中间底部最大的芯片即STM32F407，中间偏上的芯片为三轴加速度计传感器；右上角为气压高度计，安装在飞行器上后我们用胶带将压力开口封闭，并开一个针孔，保证传感器不会因为风和光产生误读；最左边分别为陀螺仪传感器和拔动开关。飞控板两边各留出一排排线插头，用来与北斗+GPS模块和PPM板通信。

(2)***调试

经过程序处理的PID参数，虽然能较好地控制飞行器飞行姿态，但遥控设备的不同，会使控制精确度有所差异，因而还需要根据实际的飞行来手动调整PID参数，直到达到满意的控制效果。

首先要验证程序设置的PI参数参否满足实际飞行要求，验证P参数时，将I置为0，然后拿住八轴对角位置的两个轴，旋转八轴，当所用的力基本上被马达所产生的升力抵消时，就可以得到一个P大致的参数；验证I参数时，将P置为0，然后倾斜八轴一边，由于I积分的作用，八轴会加快马达转速来抵消倾斜，逐渐调整I参数，当倾斜比较小的角度的时候即八轴巳经可以提供一个比较大的力往平衡位置拉的时候，I大致的参数就得到了。如果预先设置的PI参数与验证的相差不大，则说明模型正确。然后根据实际飞行来微调PI的参数，固定一个参数，调整另一个参数，直到飞行器稳定飞行为止。这一部分的调试存在一定的危险性，尽量选择比较空矿无人的场地，避免高速旋转的桨叶打到周围，本项目在调试过程中经常会遭遇摔机甚至飞行器失控对自身造成伤害。由于使用的无线图传质量较轻，本项目采用魔术贴捆绑的方法将其固定在机架中间的底部，镜头方向与飞行器前进方向一致。

起飞前，将飞行器放在比较平整的水平地面上。通电后，八个电机按照的顺序进行自检。同时，飞行控制板的绿色LED亮，红色LED灯熄灭；8个无刷电调上的状态指示灯，也由红色变成绿色，如果主板不发出报警声，表示飞行器硬件连接正常。接下来进行校准陀螺仪传感器，将遥控设备的油门/偏航控制杆推到左上角回到油门最小点，直到蜂鸣器发出连续的嘀声、绿色LED熄灭后点亮，此时***按此水平位置定义陀螺仪的水平值。最后将油门/偏航控制杆推到右上角后回到油门最小点，完成***校正。将油门/领航控制杆推到右下角，启动电机，此时电机以较慢的速度旋转，慢慢加大油门，直到飞行器离开地面，完成起飞。

从MikroKopter-Tool进入OSD(OnScreenDisplay)模式对航点进行配置。程序设置了5个航点演示，操场北角为1航点和5航点，中间为2航点和4航点，南角为3航点。在飞行器未进入航线状态下(悬停或未起飞)，利用地面站软件中编辑航点，将第一个航点设置在飞行器附近，使飞行器快速地进入规定航线。考虑到飞行器使用锂电池容量有限，空载情况下飞行时间约为30分钟，因而航点不宜设置过多而使航线过长，造成飞行器中途失控。所有航点设置好后，软件通过串口将其发送到飞控存储区中。待传输完成，飞控反馈确认信息。本***调试时没有使用自主起飞和降落的功能，所以飞行器的起飞和降落都是由遥控设备控制。设计的控制方式可在遥控器控制和地面软件控制之间自由切换，遥控设备控制方式默认是一直有效的，使能够人为地快速控制突发情况。在地面软件确认反馈信息之前，可以修改航点，重新规划航线。当地面站确认反馈信息后，通过遥控器起飞飞行器，到达预定高度时，打开高度锁定，启动航线模式，飞行器就以一定的高度按地图的航线开始飞行。到迖航点后，飞行器进入悬停状态，从存储区中读取下一个航点信息，调整航向角，使机头指向目标后，继续航行。

飞行器到迖最后一个航点后，立即进入悬停状态，此时可以有三种降落方案可供选择。一是直接取消遥控设备的高度锁定，慢慢减小油门，实现降落；二是将最后一个航点设置在第一个航点附近，使航线成为环状，之后按方法一降落；三是利用多通道遥控的三档开关实现一键回航的功能，最上面一设置为自由状态(即Free模式；)，中间档设为航向锁定，最下面一档设为回航，在飞行器最初位置打开航向锁定，飞控记录下当前的航向及GPS的位置信息，飞行器到达最后一个航点时，打开回航，飞行器按预设方案回到最初位置，之后按方案一实现降落。测试采用第一种降落方式，在Free模式下将飞行器起飞到一定高度，开启GPS悬停和气压高度计，在航点1附近开启航线模式，飞行器依次经过航点1、航点2、航点3、航点4，最后到达航点5后，测试将航点5设置在航点1附近以确保飞行器完成任务后处于可控的范围内。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，其特征在于：包括地面测控、监控站以及无人机子***；

所述地面测控、监控站为整个***的指挥中心，其控制内容包括：飞行器的飞行过程，飞行航迹，任务载荷的任务功能，通信链路的正常工作以及飞行器的发射与回收；

所述无人机子***包括机载平台、飞行控制模块以及飞行任务规划模块；

所述机载平台由多旋翼无人机和可控图像信息采集装置组成，多旋翼无人机包括机架、机翼、电机/桨叶、飞行控制器模块、姿态传感器、卫星定位模块以及高密度电池组件，可控图像信息采集装置包括挂架、X射线源和X射线感光胶片；所述机体由呈十字状分布的四个空心管轴及位于飞行器中心位置的双层连接板组成，上层的连接板用于安装飞行控制板及导航定位模块，置于下层的连接板主要起支撑作用，与上层连接板一起通过尼龙柱将四根空心管轴紧紧结合在一起；所述飞行控制器模块由飞行控制器、AHRS模块、传感器和电机调速电路模块组成，AHRS模块用于感知无人机的航向与飞行姿态，飞行控制器将其反馈的姿态信息和传感器的信息进行处理，通过调节PWM信号占空比来控制电机转速，使飞行器按要求稳定飞行或执行相应动作；

电机调速***采用PWM的方式，通过I2C总线与飞行控制器通信，接收PWM占空比信号值。代码采用C语言编写，实现上电机启动、电机控制与电机保护功能；导航定位模块包括地理信息***、北斗卫星导航***和电子罗盘，通过三者的结合达到飞行器按预定航线的飞行。

2.如权利要求1所述一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，其特征在于：所述飞行控制器为基于STM32F407的飞行控制器。

3.如权利要求1所述一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，其特征在于：所述飞行控制器模块还包括气压高度计、避障传感器、图传模块、数传电台及数码摄像机。

4.如权利要求1所述一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，其特征在于：所述飞行器的机体采用碳纤维材料，各结合部位使用尼龙柱及尼龙螺母咬合。

5.如权利要求1所述一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，其特征在于：所述多旋翼无人机的动力由八个相同的子***构成，且它们轴对称地分布在机身的八个角上，每个子***由一个双叶旋翼和一个小型无刷直流电机组成。

6.如权利要求5所述一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，其特征在于：所述电机选用新西达2212系列KV1000小型无刷直流电动机，双叶旋翼为两对18英寸正反桨。

7.如权利要求1所述一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，其特征在于：所述高密度电池组件为10000mAh/25C/DC/11.1V的锂电池组。

8.如权利要求1所述一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，其特征在于：所述无人机的起落架直接安装在飞行器的八个管轴上，每个管轴的末端都装有一个可活动的支架，支架由碳纤维材料制成，上面开有大小不等的孔，以减少整体重量，支架与管轴通过尼龙螺母连接。

9.如权利要求1所述一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，其特征在于：所述电机调速电路模块使用控制芯片内部计时器作为检测调速信号的基准时钟，定时器工作在8分频模式下，T0用作***时钟定时器，T1和T2用作PWM信号发生器。

10.如权利要求1所述一种基于无人机的地线搭接线健康检测与缺陷诊断***，其特征在于：所述飞行控制器模块还包括电机保护模块，电机启动之前，程序先检测电源电压是否在额定范围内，如果电源电压小于10V，则发出报警，禁止起飞。

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