智能无人机站设计

王 琪，裴 楚，武 娜

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030001）

0 引言

随着无人机技术的快速发展，无人机在各行业中得到广泛应用，尤其在电力系统巡检中，无人机在面对丘陵、高山、沙漠等特殊情况时[1]，发挥了巨大的优势，有效提高了电力设备的巡检效率，但无人机的航行时间短、不便收纳、需要工作人员频繁介入等缺点，限制了无人机在电力巡检中的推广应用。本文设计了一种智能无人机站，具备电量管理、气象监测、无人机管理、数据通信、数据存储等功能，降低了人工干预，为实现无人机持续自主巡检提供保障。

1 智能无人机站硬件结构

智能无人机站为防水结构，设计尺寸为80 cm×60 cm×50 cm，使用1.5 mm不锈钢板制作箱体，具有一定的抗强风、防冲击性能，设计可视窗方便内部设备安装及功能调试，侧向挡板打开可推出停机平台供无人机起停，内部停机平台使用2 mm铝合金板材制作，以减轻机站的整体质量。机站内部安装有主控模块、太阳能控制器、蓄电池、动力装置、机械装置等设备。主控模块以STM32单片机为平台，配备WiFi模块、显示屏、4G模块等；供电系统中太阳能板安装在机站顶部，为机站提供持续电力供应，阴雨天气下，蓄电池可以保障机站正常工作10 d；机站使用接触式充电装置为无人机充电，无人机电池为多块锂电池并联的电池组，为确保电池安全充电，在停机平台上安装平衡充电装置，引出无人机电池电极至起落架上，通过起落架与无人机的接触面实现电池充电。

2 智能无人机站系统软件功能

智能无人机站系统具备电量管理、气象监测、无人机管理、数据存储、数据通信等功能，这些功能全部通过主控模块控制实现，涉及的技术有电量管理技术、串口通信技术、网络通信技术等。

2.1 电量管理功能

由于天气变化等原因，蓄电池会面临过充电、过放电等安全性问题，考虑到机站蓄电池负载没有大功率设备，输出电流均在1 A以内，工作中蓄电池温度变化较小，蓄电池不存在过温度问题。电量管理是主控模块对机站蓄电池的充放电状态的动态监控，以保障蓄电池的安全。目前，关于电池电量的研究，主要是通过测量电池的电压、电流、内阻等参数，分析出电池电量与这些参数的关系，常用的方法有开路电压法、容量积分法、电池内阻法等[2]。主控模块需要分时执行不同任务，无法做到实时监测电池的电压、电流等参数。无人机站使用开路电压法设计分时测量电量功能，设计如图1所示。

图1 电量管理结构

开路电压法以测量电压为基础，电池的开路电压随着电池电量的增加而增大，系统使用12 V、24 Ah蓄电池，最大放电电压13.6 V，最小放电电压10.6 V，设定0.2 V的安全裕量，通过电压传感器监测蓄电池的电压，电压传感器的输出经I/O口输入至主控模块，主控模块向太阳能控制器发送开关信号，控制蓄电池的充放电。

2.2 气象监测功能

智能无人机站外部安装有51WS3通用三代气象模块及WX2018风速风向雨量传感器，用于测量环境温度、湿度、风速、风向等信息。该气象模块使用8051单片机，将各传感器数据处理并编码通过串口通信，发送给主控模块。气象数据包括实时风向、实时风速、前1min平均风速、前5min最高风速、前1 min雨量、温度、湿度信息等。

无人机在执行巡检任务时，智能无人机站提前30 min开始工作，收集当前的天气信息，主控模块将根据信息使用最小二乘法做数据拟合，由此预测出无人机执行任务时后20～30 min内的气象条件，由气象条件特征进一步做贝叶斯分类。

贝叶斯分类算法是统计学的一种分类方法，它是一类利用概率统计知识进行分类的算法。设每个数据样本用一个n维特征向量来描述n个属性的值，即：X=｛x1,x2,...,xn｝，假定有 m 个类，分别用 C1，C2，…，Cm表示。给定一个未知的数据样本X（即没有类标号），若朴素贝叶斯分类法将未知的样本X分配给m类，则一定是

根据贝叶斯定理，由于P（X）对于所有类为常数，最大化后验概率P（Ci|X）可转化为最大化先验概率P（X|Ci）P（Ci）。如果训练数据集有许多属性和元组，计算P（X|Ci）的开销可能非常大，为此，通常假设各属性的取值互相独立，这样先验概率P（x1|Ci），P（x2|Ci），…，P（xn|Ci）可以从训练数据集求得。

根据此方法预测晴天C1、雨天C2。假设湿度用H 表示，分为 1、2、3 级，分别用为 h1、h2、h3表示；云层密度（可通过光照强度推算）用M表示，也分为1、2、3 级，用 m1、m2、m3表示。通过统计以往该地区出现晴天和雨天时的天气条件特征｛h1、h2、h3，m1、m2、m3｝，计算出先验概率P（hi|Cj）、P（mi|Cj）（i=1，2，3；j=1，2）。同时，假设湿度H和云层密度M相对独立，那么天气情况预测就转换为

由贝叶斯公式

得晴天的概率即为

得雨天的概率即为

选择其中概率最大的类别作为天气预测结果。

2.3 无人机管理功能

智能无人机站根据气象监测功能及无人机电量信息，判断当前情况是否适合无人机执行巡检任务，同时在无人机执行任务期间，无人机与机站间通过WiFi通信，当发生紧急情况，如气象条件变化时，机站向无人机发送回归指令。无人机电量是根据开路电压法获得，当电量较低，随之电池电压也降至最小输出电压，无人机将电量信息调用发送至机站，机站发出指令。

无人机在执行巡检任务时通过WiFi与无人机站实时通信，网络模式使用无线接入点AP（wireless access point）模式，机站作为服务器端，无人机为客户端。WiFi通信基于IEEE802.11b协议，覆盖半径可达100 m，速率快，工作频率在2.4 GHz频段[3]，受输电线路的电磁干扰小。

2.4 数据存储和传输功能

在执行完巡检任务后，无人机飞回机站给电池充电以保障下次任务的续航；同时，无人机还要将拍摄的巡检图片发送至机站存储，由无人机站集中统一传输至远方。在机站主控模块上建立文件存储系统，文件存储系统包括SD卡驱动、文件系统、文件应用3部分，图2为无人机数据传输工作示意图。

图2 无人机数据传输工作示意图

SD卡驱动是数据写入前至关重要的一步，使用SD卡统一的标准协议规范，向SD卡发送初始化、写指令请求，通过反馈信息来获取命令执行状态并以此决定是否进行下一步动作[4]。初始化完成后，通过DMA方式传输数据，并建立FAT16文件系统存储数据。DMA方式为数据在外设和内存、内存和内存之间的高速传输提供了一种很好的解决方案，使用DMA方式传输数据，不需要CPU的参与，空余出来的CPU资源可以执行其他操作，同时DMA传输的时间较短，给数据的处理存储留下了足够多的时间，这样就有效地减少了数据丢帧的概率[5]。FAT16文件系统提供了一系列的接口函数，以实现对文件的各种操作，并方便文件在Windows或Linux系统上访问。

无人机将执行完巡检任务的图片传输给机站，机站将数据存储后使用4G模块，在特定时段统一发送给远方工作人员。针对电力线路巡检信息传送，有学者提出了一种基于4G数据传输技术的巡检系统方案[6]，通过4G技术实现了音频、视频、图片的有效传输，帮助电力巡检人员及时获得输电线路情况。

3 结束语

本文介绍了一种智能无人机站，可应用在电力线路巡检中，为无人机自主巡检提供保障，它包含了防水和防尘功能、电源管理功能、无人机管理功能、通信功能、数据存储传输功能。经过测试，设备工作稳定，数据接收和发送满足任务要求，实现了无人值守，可以推广至其他领域中使用。