對輸電線路的安全檢查稱為巡線，主要包括人力巡線、車輛巡線和直升飛機巡線。隨著機器人技術的發展，不少巡線機器人的研究也進一步得到發展，實現機器巡檢的方式主要有兩種：一種是將巡線機器人安裝在線路上，沿線路爬行[1]；另一種是采用飛行機器人（直升飛機）進行飛行檢查[2]。爬行機器人需要人工幫助安裝到疏導線路，再沿線路爬行工作。由于防震錘和耐張段引流線的阻擋，爬行機器人行走速度緩慢，巡線時間很長，實用性差。而飛行機器人雖然速度快，但能耗較高，續航能力有限，安全性差；為防止與線路或鐵塔碰撞，要保持一定的距離；對飛行導航系統要求精度高。針對這兩種情況，本文將巡線機器人和四旋翼飛行器結合，提出了飛滑式巡線機器人的設計方案。

1 飛滑式機器人的系統組成
    飛滑式巡線機器人在實施巡線操作時，首先從巡線段的地面垂直起飛上升到指定的高度區域，然后懸掛在電力線上，借助懸掛動力設備進行線上滑行巡檢，當巡檢遇到防震錘及鐵塔等障礙時啟動飛行單元飛行以繞過障礙物，再重新懸掛于電力線上繼續進行滑行巡檢[3]。系統設計主要由兩部分組成：飛行控制單元和線上巡檢單元。飛滑式巡線機器人系統框圖如圖1所示。

2 硬件設計
2.1 飛行控制硬件組成
    飛行控制芯片需要實現對傳感器信號做出快速反應，同時選型芯片還要具有較高的可靠性和數據處理能力以及較低的功耗。而ARM處理器能夠滿足這些要求。
2.1.1 控制芯片
    機器人飛行控制主處理器采用NXP公司的LPC11-14FA44芯片，它屬于32位LCP1100系列芯片，是基于ARM Cortex-M0的MCU，運行速度高達50 MHz，其功耗非常低，平均電流不超過10 mA。對于電池供電的飛行器來說，芯片選型有助于延長飛行器工作時間。其功能是負責實時解算相關傳感器采集的數據，并根據相關的飛行信息，計算輸出控制量。同時在線上巡檢過程中負責與線上巡檢部分的MCU實時通信，參與避障動作的完成。
2.1.2 傳感芯片
    本設計是在低空低速飛行狀態，可以用6個物理量表示其狀態，在坐標軸中有3個位置量和3個姿態量，因此本文采用三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器。在本次設計中，陀螺儀應該滿足精度高、穩定性好、功耗低等特點，因此選用ST200G三軸（X/Y/Z）陀螺儀，內部集成3個16位ADC，2.1 V～5 V供電，電壓范圍比較廣，6 mA低功耗，休眠模式時供電電流僅需5 μA，具有很好的靈敏度和零偏穩定性，負責采集四旋翼飛行器3個方向的角速率。
    MMA8452Q是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三軸加速度傳感器。這款加速度傳感器具有豐富的嵌入式功能，帶有靈活的用戶可編程選項，可以配置兩個中斷引腳。嵌入式中斷功能可以節省整體功耗，解除主處理器不斷輪詢數據的負擔。
2.1.3 電機
    本系統的飛行控制硬件由電機、電調和旋翼組成。電機選擇朗宇X2820KV800電機，電調選用好盈天行者40 A無刷電調，持續電流40 A，短時電流55 A，槳直徑30 cm，滿足作為巡線飛行器的懸掛高度要求，并且安全可靠。
2.2 線上巡檢控制電路
    線上巡檢過程中，要求當飛行器懸掛于電力線上的同時啟動巡線系統，使飛行器能夠在懸掛線上滑行；當遇到障礙物時，停止電機運動，并給飛控部分啟動信號，啟動飛行器，進行越障動作。
2.2.1 主芯片選型
    線上巡檢系統選STM32F103RBT6作為主芯片。這是ST公司基于ARM的最新的Cortex-M3架構內核的32位處理器產品，具有低功耗設計，多達9個通信接口便于巡線系統后期擴展。
2.2.2 傳感模塊
    該機器人線上巡檢傳感器需要完成兩項工作。首先當飛行器懸掛臂懸掛于線上時，檢測是否已經懸掛于線上，將數值返回至主處理器，確認掛上后進行線上行走。同時，在線上滑行過程中，需要探測前方是否有障礙物，以便及時終止線上滑行。因此，選用了紅外模塊檢測是否已經懸掛于線上，而在線上滑行時則采用超聲波測距模塊探測前方是否有障礙物。
    紅外傳感器模塊對環境光線適應能力強，由一對紅外線發射與接收管組成，電路圖如圖2所示。圖中D1、D2指示是否有信號輸出，D3、D4是紅外線接收與發射管，LM393是雙電壓比較器，不需外加限幅電路就可直接驅動。應用時將其安裝在懸掛臂的內側，當懸掛臂懸掛于電力線上時，輸電線遮擋紅外模塊，使紅外接收管接收到反射回來的紅外線，由此檢測懸掛臂上的滑輪是否與電力線接觸完全。

    超聲波避障電路如圖4所示，圖中T40為超聲波發射端，R40為超聲波接收端。主控芯片采用STC11系列單片機，該芯片具有低功耗、高速度特點。MAX232芯片進行電平轉換驅動T40發送超聲波信號。由R40接收的信號經過TL074放大后輸入到單片機進行數據處理[4]。

2.2.3 滑行動力
    線上滑行的動力由減速電機和驅動板組成。減速電機采用37GB90-500，額定電壓為12 V，當電壓在3 V時仍然有相當大的扭力，所以比較適用于帶動整個飛行器在線上滑行。驅動板采用L298P直流減速電機驅動器，其具有高輸入阻抗設計，適合MCU直接驅動。
2.3 電源
    本機器人采用電池供電，因采用的芯片供電均在3.3 V左右，因此需要將5 V的電源轉換成3.3 V，本設計采用AMS1117-3.3 DC-DC芯片實現。電源模塊的系統連接圖如圖5所示。

3 軟件設計
3.1 飛行控制軟件總體設計
    飛滑式巡線機器人控制系統軟件設計的總體目標是啟動飛行控制系統的各個功能模塊并使之正常工作，按照既定規劃實現穩定飛行。與普通飛行器飛行控制的最大不同點是，飛滑式巡線機器人飛行中以輸電線為飛行目標，接近目標時需要減速并柔性接觸，因此，控制軟件設計中要適當地選取控制量，運用控制理論中模糊PID控制算法對該系統進行控制。飛行單元的主控芯片主要是完成系統初始化、系統自檢、處理傳感器數據、解算導航信息，以及執行控制算法計算輸出控制量，系統啟動流程如圖6所示。

    在導航解算過程中，芯片將角速度和線加速度的結果采樣存放在ADC的結果寄存器中，采樣流程圖如圖7所示[5]。
3.2 線上避障控制總體設計
      線上避障控制軟件將控制飛滑式巡線機器人的線上滑行和避障。系統啟動后，首先確定在懸掛臂兩側的紅外傳感器是否被遮擋，一旦遮擋說明已懸掛于輸電線上。同時通過超聲波傳感器判定前方是否有障礙物，如沒有障礙，則控制軟件驅動電機進行線上滑行，否則啟動飛控板實現飛行避障。線上避障控制流程圖如圖8所示。

4 測試結果與性能分析
    為使飛滑式巡線機器人接近輸電線時實現柔性接觸，其飛行控制采用模糊PID控制算法，通過Matlab仿真可得到相關的系統階躍響應，如圖9所示。

    圖9中，設標定高度為1，在0.2 s時系統到達穩定狀態，且隨著時間推移，系統始終處于穩定狀態，沒有出現超調現象。該算法符合飛滑式巡線機器人飛行標定高度控制要求，因此驗證了飛行控制算法的合理性。
    避障控制的測試采用示波器測量實際電路，并模擬避障過程。當紅外有遮擋且超聲波無障礙時，使用示波
器測得巡線控制電路主芯片STM32芯片I/O口產生PWM波，從而驅動電機轉動維持線上滑行；一旦超聲波傳感器前遇到障礙，波形終止產生，機器人停止滑行。同時STM32產生持續低電平，激活飛行控制板進行下一步的飛行越障。該算法同樣符合越障控制的要求。
    本文結合四旋翼飛行器和巡線機器人的特點，給出了飛滑式巡線機器人控制電路及軟件的設計方案。本文詳細描述了飛滑式巡線機器人的飛行控制和越障控制硬件、軟件設計。針對飛滑式巡線機器人的特殊飛行及避障控制要求，利用模糊PID控制算法可使飛行控制更柔性地接近目標，采用紅外及超聲感應模塊判斷線上懸掛和障礙檢測，使線上避障控制滿足實際要求。通過仿真實驗和硬件電路測試，驗證了控制系統的有效性和可行性。
參考文獻
[1] 王賢華，李建云，鹿寧，等.架空輸電線路巡線作業機器人的研制[J].機電信息，2013(3)：146-148.
[2] 厲秉強，王騫，王濱海，等.利用無人直升機巡檢輸電線路[J].山東電力技術，2010（1）：1-4.
[3] 高強，余萍.飛行滑行巡線機器人[P].中國：CN202127210U，2012-01-25.
[4] 花俊，靳鵬云，陳勁操.超聲波功率驅動與測量裝置設計[J]. 電子技術應用，2011，37(3)：78-81，85.
[5] 劉乾，志峰.基于ARM的四旋翼無人飛行器控制系統[J].機電工程，2011，28(10)：1237-1240.