输电线路巡检无人机高精度云台设计与实现

输电线路巡检无人机高精度云台设计与
实现
摘要：随着无人机技术的发展，以无人机作为载体的输电线路巡检系统应运而生，然而，在无人机的飞行过程中，无法避免机身的抖动，这将影响图像采集单元采集的图像信息，本文在输电线路巡检这一应用背景下，设计了无人机云台控制系统的电机驱动单元与主控制器的硬件部分，针对电机驱动单元，采用永磁同步电机矢量控制算法为云台系统提供了精确的角度控制，最后根据云台姿态传感器，采用运动补偿算法去除图像抖动，实际应用表明，该云台系统控制精度达到0.04。

，能满足输电线路巡检图像采集的需求。

关键词：云台控制系统；运动补偿控制器；永磁同步伺服电机
由于电力工业的迅猛发展，输电线路的总里程不断地增加，电网的运行与维护一直以来都是对线路巡检人员的巨大考验。

一般情况下，输电线路最为薄弱的部分通常位于杆塔的顶端，采用人工目视巡检的方法将很难发现事故隐患，采用新技术与新方法对输电线路进行高效巡检迫在眉睫nJ。

近年来随着航空技术的迅猛发展，无人机以其高可靠、高效率、低成本、低风险为特点，迅速地在输电线路巡检领域开展应用试点口_3]。

而要将无人机应用于电力线路巡检领域中，其需要解决的主要问题是采集和处理输电线路关键部件高清图像信息，而在采集的过程中，如何为图像采集单元提供高可靠性运动补偿载体一云台将是重点，本文针对无人机图像采集单元的特点，设计了一款高精度云台控制系统，通过精确的
运动补偿算法使其俯仰轴和滚转轴控制精度达到0．04。

，并在最后的实际试验中验证了这一结果。

1、系统总体设计
为充分考虑系统的通用性和可扩展性，本文所设计的云台系统采用模块化设计思想，将云台主控制器与电机驱动单元分开，并采用CAN总线实现两个单元的通信，以获取系统通信的高可靠性和高效率。

云台系统整体结构与控制系统总体结构如图1，2所示。

由图1可知：采用此控制结构主要有三个对外接口：1)与飞行器主控制器有通信链路。

2)能通过遥控器对云台进行单独控制。

3)可对相机快门及录像功能进行操作。

针对云台控制系统高精度定位及快速响应的需求，本方案采用永磁同步电机带增量式光电码盘的定位驱动方案，并采用矢量控制算法(FOC)，使电机能精确定位到任意角度El63。

电机驱动单元如图2所示，通过CAN总线与主控连接后，云台主控将控制指令传输到电机驱动单元。

为了达到高精度的视觉稳定效果，本系统在云台相机单元安装姿态传感器模块，实时捕捉及反馈相机姿态、位置，从而使电机驱动单元能快速响应云台角度误差，提升成像质量。

姿态传感器单元如图3所示。

图1云台系统整体结构
图2云台控制谢哦给你总体框架
图3电机驱动单元
2、巡检系统架构
通过对.上述内容的详细分析，可以得出该巡检系统需要有较强的环境适应
能力、高精度的数据采集与处理能力以及较高的稳定性。

为了达到这些要求，需
要系统的各个部分相互“交流合作”，增加它们之间的耦合性。

基于此，本系统
采用分层的方式逐步完成各个部分的设计，主要包括算法层、软件层以及硬件层，整个系统架构如图4所示。

图4 无人机自主巡检系统架构图
根据巡检系统的总体设计方案，可以将算法层主要分为三个部分:巡检点计算、坐标优化、航迹规划。

其中巡检点就是电力杆塔预先规划要缺陷检查的目标点，巡检点计算是指通过建立巡检目标模型，然后对其求解从而获取巡检点坐标。

本课题中坐标优化是指在求解得到巡检点坐标后利用优化算法进- .步提高精度，然后根据巡检作业要求和电力杆塔的结构特点由巡检点坐标确定对应航点的坐标
信息。

航迹规划是指利用.上述确定的航点坐标信息结合实际巡检杆塔的结构以
及周围环境规划航迹。

软件层主要分为应用软件以及驱动软件，其中应用软件是指算法层各个部分
的软件实现，由系统的硬件层提供采集的数据，通过算法层实现的软件计算关键
信息提供给系统进行下一步处理。

对于软件开发来说，一个好的开发环境可以提
高系统软件的开发效率，而Linux不仅是一个多用户多任务的操作系统，而且具
有模块化程度高、安全稳定、良好的可移植性等特性，所以该应用软件主要在Linux环境下开发。

至于驱动软件主要是各类传感器的驱动以及一-些设备的驱动软件，主要包
括IMU (Inertial Measurement Unit，简称IMU)、RTK ( Real-time kinematic，实时动态)定位、传感器驱动以及数传图传等。

其中IMU是指无人机惯性测量单元，是测量机身三轴姿态角以及加速度数值的装置，- .般无人机上的IMU主要
包含三轴陀螺仪以及三轴加速度计，负责无人机获取飞行姿态等信息。

RTK定位
技术是指实时动态载波相位差分技术，该技术是一种卫星定位测量方法，最大的
特点是能够在野外实时获取厘米级定位精度的坐标，非常适合野外巡检作业。

传
感器驱动不仅包括用于感知周围状态的磁罗盘、气压计、和超声波传感器等，还
有测距仪、电机电调和云台相机等装置驱动，在巡检工作时，遇到山区高原等气
压变化比较大的地区，气压计测量的结果可能误差比较大，可以使用激光测距仪
测量高度，且在山区等地势高低不平的区域，平常的气压计等传感器测量的高度
不准确，此时可以使用超声波传感器进行高度控制。

3、系统硬件设计
高精度云台控制系统的核心是具备高精准度、良好动态性能及高效率的电机
驱动单元，由此，本文采用永磁同步矢量控制的方法，电机驱动单元硬件原理图
如图4所示：
图5姿态模块
3.1数字信号处理器如图5所示，考虑到电机驱动单元的空间局限性及矢量
控制算法的复杂性，本文采用64引脚LQPF封装的TMS320F28035作为主控芯片，该芯片最高处理速度达到60Mhz，自带A／D转换器及CAN通信接口，同时带有QEP及增强型PWM输出模块，不仅满足系统性能要求，也降低了整体电路的设计
难度。

3.2驱动电路
本文采用DSP的事件管理器EVA模块产生PWM信号，对H桥电路的开关元件
进行控制。

开关元件采用功率MOSFET管。

通过DSP产生的增强型PWM模块驱动MOSFET的关断与导通。

3.3检测电路
驱动单元的反馈回路主要有电流反馈及码盘的位置反馈，其中电流反馈采用
电阻式采样方法，利用外挂电阻进行电流检测，即在MOSFET的接地极上串联0．OlD,检测电阻，电流的大小可由电阻两端的电压计算得到，实时采集电压值
并输入到DSP控制器的ADC采样输入引脚，通过AD动态补偿的方法转化为目标
的电流值。

本文采用美国AMT公司生产的AMTl02增量式编码器，编码器分辨率为2048，TTL5V电平输出，其具有体积小，分辨率高等特点，考虑到DSP控制器中QEP模
块允许输入电压最高电压为3.3V，故采用电平转换电路，通过74LVC3G17将5V
电压转化为3.3V。

作为云台控制系统核心部分，本文针对带位置反馈的永磁同步电机驱动单元作了详细介绍。

4、系统软件设计及控制算法研究
4.1电机驱动单元软件设计
由于云台系统需要精确的定位及快速响应的特性，必然需要对永磁同步电机采用电流位置双闭环控制。

电流内环在伺服驱动器内进行，通过电流检测模块实时检测电机的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节。

位置外环在驱动器和磁旋转编码器之间构建，环内PID的输出作为电流环的设定，从而保证电机电流和转子位置能够很好地跟踪输入信号。

4.2云台运动补偿控制器
由于云台系统安装于无人机机体上，无人机在飞行时，受到外部不确定因素影响将使飞行器产生随机抖动，此时应用运动补偿控制器加以补偿。

4.3实验验证
图5和图6分别为实际飞行测试中，无人机机体传感器和云台姿态传感器分别采集的数据。

图6无人机滚转角与云台滚转角对比
从图6、7可以看出：在无人机机体大幅度晃动的情况下，由于云台的自增稳作用，对于机体振动隔离和无人机大机动飞行时机体倾斜有很好的补偿效果，并且控制精度达0．04。

图7无人机俯仰角与云台俯仰角对比
5、结论
本文以无人机飞行器采集输电线路关键部位高清图像信息这一特殊需求，分析设计了无人机云台系统硬件部分与软件算法，通过应用云台运动补偿控制器，以消去机身抖动及补偿飞行机动过程中机体倾斜，使图像采集目标保持在图像中央，实际测试表明这种云台系统的性能能满足输电线路巡检的需要。

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