多旋翼无人机双云台任务载荷技术研究

多旋翼无人机双云台任务载荷技术研究

孙宏彪曾灵聪石荣辉卢雨翔

（国网江西省电力有限公司检修分公司江西南昌330000）

摘要：无人机作为近年来新型技术之一，已在电力、消防、救灾、农业、气象、国土资源、城市规划等领域中广泛应用。无人机在民用市场的应用受到越来越多的关注，其具有携带方便、操作简单、反应迅速、载荷丰富、任务用途广泛、起飞降落对环境的要求低、可自主飞行等优势。目前，国家电网公司已将无人机作为输电线路常态化巡检的重要工具，通过控制无人机搭载的云台任务设备对输电线路开展精细化、立体化巡检，全方位的保障输电线路安全稳定运行。

关键词：多旋翼无人机；输电线路；无人机巡线；双云台

一、多旋翼无人机单云台巡视概述

无人机（UnmannedAerialVehicle，UAV）根据云台搭载任务设备的不同，可对输电线路开展差异化巡检。常见的任务设备分为可见光传感器和红外线传感器。可见光传感器进行日常线路精细化巡视及拍照；红外传感器，对线路中的高温发热点进行快速识别，迅速确认故障点。然而，常用的无人机通常只使用单云台，单云台的制约使得两类传感器无法同时搭载，并导致出以下问题：

1.单光设备巡视的局限性

无人机使用单可见光任务设备开展巡检时，通过地面显控单元难以显示出导线缺陷，例如断股、散股、磨损等微小缺陷。对铁塔设备巡检需要对整基铁塔的每一个挂点、连接挂板等部位开展精细化检查，在故障巡视时无法有效地对铁塔上的发热点进行检测。使用红外线传感器时，虽然可以快速发现线路发热故障点，但无法拍摄环境照片，此时往往需要无人机重复起降，更换不同光源的云台设备后再次执行巡检任务。重复起降会造成无人机能源的大幅度消耗，提高作业风险，降低故障查找效率。

2.单光红外设备无法保证安全飞行

搭载单光红外热传感器在飞行巡检过程中是无法识别无人机飞行与塔基的目视距离，一旦需要超视距飞行，就很难判断无人机与塔基本体的距离，更难于寻找可疑目标发热点。若使用两台无人机搭载不同传感器同时飞行，容易忽略无人机之间的间距、无人机与基塔之间的安全距离及互相干扰信号，如此运行，势必也会造成运维中的不安因素，违背安全作业规程。

二、多旋翼无人机双云台巡视研究方向

针对目前输电线路无人机巡检特点，以双云台为出发点，使得无人机能够同时搭载可见光相机和红外热成像仪并且可在空中自由切换镜头，进一步适用于输电线路日常巡检的要求，着重以下需求开展研究：

1.双云台结构设计

为实现双镜头图像间无误差，使云台可拍摄范围提高到最大限度。我们采用人眼应用原理进行镜头位置的摆放及调整。

2.双向通信链路研究

由于搭载双云台进行巡检工作，地面控制站与云台之间的数据传输及通讯及时性问题带来了造成很多问题，双向通讯链路使控制指令及数据传输更加及时、清晰。

3.三轴增稳云台

拍摄数据的质量直接影响巡检人员对线路维护的质量。稳态的稳定性则直接影响镜头拍摄数据的质量。采用三轴增稳云台，融入PID控制技术，大幅提高双云台性能，提高工作质量。

4.飞行器结构设计研究

增加一个云台后，原有的无人机无法满足携带双云台任务载荷的需求，因此，需重新对无人机的飞行结构进行设计及调整。对双云台无人机设备，稳定的供电是对安全飞行的保障，无人机冗余电源装置与所述供电电源模块连接，控制电压输入源，使两输入源可以互为备份，满足冗余设计和不同设备供电要求，使电池使用最大化、安全化、稳定化。

三、多旋翼无人机双云台结构设计研究

通过研究一套能够携带双云台的无人机，将可见光设备、红外设备同时安装在无人机上，并实现在地面控制站的显控单元上将两设备显示的图像互相切换，基于这个目的，需研究以下内容：

1.双云台设备的结构设计研究

为实现双镜头图像间无误差，需设计双光设备位置结构。双云台就是模拟人眼的应用。人眼是很容易对一个物体的距离进行定位，但当人闭上其中一个眼睛后，定位能力就会下降很多。简单的说，测距离的话，就是通过算法算出，被拍摄物体与左/右摄像头的角度θ1和θ2，再加上固定的y值（即两个摄像头的中心距），就非常容易算出z值（即物体到Camera的距离）

光学变焦主要是左右摄像头使用不同的FOV（可视角），这样两个摄像头取景不同。当用户需要广角照片，则用视角为85度的左摄像头取景，获得广角效果。当用户需要长焦照片，则用视角为45度的右摄像头取景，获得长焦效果。

为了使左右摄像头拍摄的物体重叠度高，当来回切换时，所显示的焦点都在一个目标上，因此，双摄像头组合应架设得越近越好。

2.双向通信链路研究

双向通信链路是指多点连接链路，指用一条链路连接多个节点。通信链路主要负责云台与地面控制站之间的数据通信及传输控制指令，无人机在空中作业时，控制台通过远程通讯模块将控制信息令发送至云台控制器，控制器再向云台下达控制指令，搭载双云台且需在空中自由切换镜头进行巡检工作，采用双向通讯链路使控制指令及数据传输更加及时、清晰。

3.双三轴增稳云台研究

为了满足双云台的设计需求，采用两个三轴稳定云台，并在此基础上建立稳定云台的数学模型，在此基础上我们将PID控制算法融入其中，且对稳定云台进行控制仿真实验，在搭载的双云台中，由于PID结构简单，无法满足双云台控制精度要求，我们使用目前较为成熟的PSO优化的模糊PID控制技术与其结合，使得整个云台系统性能大幅提高。

此外，考虑无人机在巡检作业中受到的干扰较大，提出了基于自适应Kamlman滤波的模糊PID控制算法，针对三轴稳定云台复杂的干扰因素，在系统中引入了自适应滤波技术，来提高无人机在空中抗干扰性能，从而使得云台更加稳定。

4.无人机结构设计研究

由于增加一个云台后，在搭配合适的可见光、红外线设备后，原有的无人机无法满足携带双云台任务载荷的需求，因此，需重新对无人机的飞行结构进行设计，再保证足够续航时间的条件下，改变旋翼尺寸，尽可能增加无人机载重量，同时，选用一块或多块的高容量锂聚合物电池，通过配重分析，决定电池数量、大小以及旋翼参数。

5.双电池冗余系统研究

采用双路锂电池输入，为GPS、自动驾驶仪、数据传输、图像传输设备供电的供电电源模块；与所述供电电源模块连接，控制电压输入源，使两输入源可以互为备份，且可以通过调整电阻比例值，使主电源欠压保护切换使用备用电源，以及主电源恢复切换功能，满足冗余设计的电源管理模块。与所述电源管理模块输出相连接，使用DC-DC集成同步降压控制器实现电源的稳压滤波输出，提供给数码舵机工作电压的数码舵机电压模块，使得电池使用最大化、安全化、稳定化，从而提高飞行器续航时间。

四、结语

传统的输电线路人工巡视方法不仅工作量大而且条件十分艰苦，巡视周期长，而且由于人员技能水平和巡视视角的不同容易造成缺陷的遗漏，巡视质量难以有效的控制。采取无人机进行线路巡视后，不仅可以降低输电线路运维人员劳动强度，而且提高了巡检质量和效率。但目前，单独悬挂红外设备的多旋翼无人机巡视设备时无法保证与设备安全距离，双云台的研究不仅解决了以上问题，而且还可以实现可见光和红外热传感器同时巡检，进一步提高线路的安全管控水平。