无人机载红外管道检测的研究与设计

陈 露，王冠凌，郁书好，毛 赫

（1.安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000；2.皖西学院 电子与信息工程学院，安徽 六安 237000）

城市燃气管道往往排布在城市人口密集的区域，如果泄露将会造成不可挽回的人员伤害和巨大的经济损失，需要管道检测机器人定期地对管道泄漏区域进行定位、检测和评估.本文将无人机技术和红外检测技术相结合提出一种新型的无人机管道检测机器人，能轻松有效地完成管道巡检任务.可保障城市管道安全性，减少事故发生概率，延长管道网络的服役期，从而可以带来很大的经济效益.

1 四旋翼飞行器硬件结构设计

四旋翼飞行器在结构上主要包括提供动力的螺旋桨部分、控制飞行器的主控板部分及搭载平台三个部分.将小型电机和螺旋桨固定在搭载平台的末端,呈十字型或X型.螺旋桨是由两对正反桨组成.小型电机带动螺旋桨的旋转来为整个飞行器提供动力.飞行器主控板通过强力胶固定在机架的正中心,主控板的功能是对四轴飞行器姿态信息的采集处理及姿态控制,搭载平台材质选用稳固密度小的碳纤机架，机架的良好材质以保证四旋翼飞行器的飞行.

图1 四旋翼飞行器的硬件结构设计图

四轴飞行器的螺旋桨由两对正反桨组成,每个螺旋桨接一个8050空心杯电机,主控板通过分析接收到的姿态信息输出占空比不同的PWM脉冲波.通过PWM脉冲波来控制空心杯电机的转速及转向，从而控制螺旋桨的转速及转向来让四旋翼飞行器进行前进后退转弯等.市面上的四旋翼飞行器的硬件结构可分为‘十’字型和‘X’字型.其结构图如图2示.

图2 四旋翼飞行器的物理结构

1.1 飞行器主控电路

四旋翼飞行器的主控板相当于是飞行器的神经中枢，其功能是接收分析处理姿态信息传感器采集的数据.人们从地面发送遥控信号，主控板接收该信号并对飞行器的飞行姿态信息进行计算，将四旋翼飞行器的信息融合处理,然后运用模糊PID控制算法计算出各电机的PWM脉冲占空比,根据PWM的波形来控制小型电机的开关和电流方向.最小系统电路如图3所示.微处理器模块采用ARM4内核的STM32F405ZGT6.这款芯片的时钟频率可达168MHz,具有多种通信接口，主要包括JTAG接口、I2C总线接口、AD接口、SPI接口以及数据采集的多路PWM输出,便可满足其他传感器的搭载和运算.STM32F405ZGT6具有14个定时器,对于信号采集处理和PWM输出均能满足.

1.2 电源供电电路设计

本系统电源电路需要产生一路3.3V的恒压源，电源模块采用市面上常用的3.7V小型锂电池作为电源.电源供电电路经MC34063芯片升压到5V，再经过AMS1117芯片降压输出3.3V电压.

1.3 电机驱动设计

四旋翼飞行器的驱动电路输出占空比不同的脉冲波控制空心杯电机电流的开关和电流的流向.考虑到体积、质量、成本等问题，本次选用直径为85mm、长度为20mm空心杯电机.每个电机的重量为3.9g，四个电机控制四个螺旋桨，空心杯电机的工作电压在3.3V至4.2V之间，由电路板控制电压的大小及方向.

1.4 无线通信模块设计

无线通信模块主要用于遥控控制信号的收发以及图像采集中.通过该模块可以将信息回传到上位机上，并且在实际操作中上位机通过无线传输来控制四旋翼飞行器的飞行路线，就是用自定义的控制协议控制NRF24L01无线传输遥控指令来控制4个螺旋桨的转速.

1.5 姿态检测模块

姿态检测模块选用了集成三轴加速度与角速度的MPU6050六轴传感器芯片.该芯片功能强大，广泛应用在四旋翼飞行器的信息采集中.四旋翼飞行器上就选用了MPU6050来获取飞行状态信息.采用MPU605传感器芯片作为系统的惯性测量单元，测量出加速度和角速度的原始数据，四轴飞行器的复合控制策略采用变论域模糊控制.图4就是加入了伸缩因子的PID控制器，通过判断误差的大小，改变模糊控制器中输入和输出论域.再将得到的输出变量调整PID调节器的参数，精确的参数可以实现飞行器的精确控制.

图4 变论域的模糊PID控制器结构

1.6 红外热成像模块

红外热成像检测技术运用在管道方面属于管外探测法，效果如图6所示.其检测平台搭载在四轴飞行器上.其原理是利用红外热成像仪接收待测物体表面向外辐射的红外线，并通过相关的成像技术将其转换为可见的热场分布云图，最后通过分析温度场异常来确定管道缺陷信息.在实际测量时，总辐射能量：

ε是目标的发射率，τa是大气的穿透率，W是目标接受的总辐射能量，等式右边第一项是表面温度为T0的目标的辐射能量，Tu是环境的反射辐射能量，Ta是大气辐射能量.

辐射的能量经过热像仪内部的光电转换电路，最终表现为电压的形式，热像仪的响应电压：

VS是响应电压，K为一固定常数，εa是大气辐射的发射率，Lbλ是光谱亮度，Rλ是探测器的光谱响应度.由于热像仪接受的是总辐射能量，不能具体确定是哪部分的能量，因此，通常假定其接受的辐射为某一黑体发射的辐射.由普朗克辐射定律可得待检测目标的实际温度应是：

工 作 波 段 在 2～5μm，n=9.2554，8～13μm，n=3.9889.

图5 热成像仪结构图

2 四旋翼飞行器软件设计

四旋翼飞行器的软件设计主要是在KEIL环境下来进行编程.软件程序的主要流程先是微控制器控制传感器模块采集测量数据，然后将MPU6050采集到的数据姿态融合得到四旋翼飞行器的位置信息，将四旋翼飞行器的位置信息送入模糊PID控制程序中获得控制信息来控制各个螺旋桨提升力的调节.

四旋翼飞行器主控板的主要功能是接收无线信号、数据信息采集及调节螺旋桨转速,处理流程一般包括以下几部分.首先初始化；包括无线通信模块的初始化、传感器模块的初始化和电机驱动模块的初始化等.然后通过MPU6050来获取姿态信息以及对系统进行校准.主控制器对中断时间的处理是采用定时器中断的方式,每个中断数字都会自动增加,根据不同的中断响应处理不同的优先级任务.当进入中断时系统会检查无线模块是否接收到了数据,系统自动进入中断不需要外界的输入.这样可以保证实时控制飞行器的飞行状态,两个中断就会采集传感器模块的实时数据，就能根据飞行器的姿态信息和遥控数据之间的差异,采用模糊PID控制算法计算各电机的PWM值,就改变了电机的转速与转向，从而可以调节飞行其器的路线.

图6 四旋翼飞行器软件程序流程图

3 实验与测试分析

四旋翼飞行器完成之后我们进行了试飞以及姿态信息采集.前期电路板的调试很让人头疼.好在从电脑上搜索到了很多开源信息，经过几十次的尝试和失败，终于实现了四旋翼飞行器的正常飞行.通过MPU6050信息采集芯片来采集飞行器的角速度和加速度的原始数据，之后再通过卡尔曼滤波法进行滤波处理，将滤波处理后的数据运用龙哥—库塔法更新四元数进行解算，最后输出姿态角和其他测量信息.我们引入了空间三维坐标系巧妙地运用空间矢量变换的方法来描述四旋翼飞行器的仰、偏航和横滚的姿态信息.在实际操作中遥控四旋翼飞行器飞行，实时改变了飞行器的姿态和位置.飞行器的姿态信息解算后通过NRF24L01无线传输模块传回到上位机.

图7 MATLAB仿真结果

4 结束语

四旋翼飞行器的主控板采用STM32F407芯片控制驱动模块、无线通信模块以及信号采集模块.通过PID控制算法保证了四旋翼飞行器的正常飞行.红外检测电路搭载在四旋翼无人机上来对管道损耗进行检测.利用红外热成像仪检测待测物体表面的红外线，并通过相关的成像技术将其转换为可见的热场分布云图，最后通过分析温度场来确定管道破损信息.当然实际中出现了几个必须解决的问题问题一：无人机是锂电池供电，所以续航时间很短.问题二：市面上的红外检测仪质量大、体积大，小型无人机很难载动.问题三：红外热成像的实时传输.所以要想实现无人机检测管道必须要考虑这些问题.