基于STM32的多用途无人机巡检拓展模块

文/杨景岩

1 概述

近年来，无人机因其成本低，安全性高，作业灵活性强，使用培训简单等优势在诸多领域得到了广泛的应用。现有的民用小型和微型无人机主要分为直升机，多旋翼无人机与固定翼无人机三种，这三种结构的无人机在使用成本、航程、最大飞行时间与抗风能力等指标上各有优劣。无人机的飞行控制方案上，现已有了多种成熟的飞行控制器，但它们的可拓展性往往不强，且有时，尤其是需要使用图像处理模块时，其算力往往不能兼顾图像处理与飞行控制。本文设计了一种基于STM32F407的兼容多种无人机结构，并可充分利用现有的各种飞行控制器姿态控制功能并可用于多种不同任务的多用途无人机巡检模块。

2 无人机巡检相对传统巡检方案的优势

如前文所述，无人机巡检已经在铁道巡检，输电线巡检，特种设备安全巡查与长途管道巡检等诸多领域得到了广泛的应用，这些应用场合存在许多共同点，如地面环境复杂或需要在高空监视，巡检危险性高，巡检距离长等。本节中，我们以发展相对成熟的配电线路巡线为例，系统地分析无人机巡检相对传统巡检方案的优势。

随着我国国民经济的迅猛发展，配电线路公里数今年呈现迅猛增长的态势，且这些配电线路的设备长时间暴露在环境条件复杂的野外，故容易发生断股，锈蚀，过热等故障。由于铁塔结构复杂，高空作业危险且巡线工作量大，人工巡检会消耗大量的人力和资源。目前，针对人工巡检的问题已经有了多种解决方案，主要为直升机巡检，动力伞巡检，机器人巡检，无人机巡检四种方案。

直升机巡检与动力伞巡检均为工作人员搭乘飞行器对输电线路进行巡视的方案。这两种方案均可以实现对输电线缆的高效、立体巡检。但这两种巡线方案的工作人员培训成本与飞行成本均较高，且运作时均存在人身安全事故隐患。

机器人巡线则是将机器人悬挂在输电线路架空避雷线上，机器人可以沿与导线走廊几乎重合的避雷线进行线路的巡视，能够拍摄清晰的设备运行状态图，且成本低廉，且作业时无人身安全事故隐患。但其拍摄角度受到限制，无法进行立体巡查。

无人机巡线则是由程序控制或人工控制的无人机搭载可见光、红外热成像和紫外线成像等设备，对输电线路进行高精度检测。这种作业方案可以实现近距离、多角度的巡检，飞行路径相对自由，且无人身安全事故隐患。无人机飞行成本也只相当于直升机巡检与动力伞巡检的五分之一至六分之一左右。相对前面几种方案存在明显的成本与性能优势。

3 系统方案设计

如图1所示，本文中的多功能巡检拓展模块主要由图像识别模块、定高定位与导航模块、姿态检测模块和作为主控制板的STM32F407单片机构成，值得注意的是虽然本系统中也带有三轴陀螺仪，但系统中的STM32F407并非飞行控制板，而是将高度、偏航、俯仰、横滚四个维度的控制信号以PWM波的方式输出给飞控板，这里的飞控板可以是四轴飞行器或固定翼飞行器的飞行控制板。巡检拓展模块适配的飞行器种类可通过更改系统中的设置实现。

3.1 主控芯片

本系统采用STM32F407作为主控芯片，该芯片具有体积小，运算速度快，能耗低，调试模式多样等特点。且具有A/D、D/A、SPI等若干功能，能够很好地满足系统的任务要求。

3.2 图像识别模块

本系统采用OV7725摄像头模块进行图像的采集和识别，通过该摄像头模块，系统可以自主识别巡检中遇到的可疑之处，并进行自动报警和自动拍照。同时，摄像头的图像还可以经图传模块传输给地面端，以供人工监控。

3.3 高度/位置传感器

图1：巡检模块的硬件结构

本系统可以根据不同任务需求选择多种高度、位置传感器。高度控制上，如飞行高度较低（0-2m），系统可选择TOF测距模块进行飞行器的定高，这种传感器依靠激光往返的时间来测定飞行器的高度，在较低高度上具有测量精度高的优势；如飞行高度较高，系统则选择气压计模块进行定高，尽管误差相对较大，但这种传感器适用于较高的高度，在大多数无人机的作业区间（0-120m）都极为有效。

无人机的定位与导航上，系统可根据任务需要，在GPS模块，光流模块，OV7725摄像头模块间进行选用，GPS模块适用于GPS信号较好、飞行高度较高、地面无明显特征的情况，如山区的架空高压线缆的巡线。而如果飞行高度较低（0-2m），只是由于安全问题故采用无人机巡检且地面纹理明显，无人机可采用光流模块进行定位，这种定位方式可以排除GPS信号对定位效果的影响。另外，如果地面有明显标志物或引导物，无人机也可使用下视摄像头，通过识别地面的引导标记进行巡航，这种导航方式可靠性最高，且无对高度与GPS信号的要求，但其依赖于地面上的人工标记（如引导线）或环境中存在的明显标记（如管道巡检任务中在管道上方沿管道巡检或者河流/河岸巡检任务的情况）。

3.4 姿态检测模块

本系统还搭载了MPU6050六轴运动处理组件，用于检测飞行器的姿态并进行偏航角的控制，防止飞控传感器存在误差导致飞行中偏航角出现偏差的情况（该情况起飞时经常发生）。如任务需要搭载云台，本系统还可以根据MPU6050的数据进行云台的控制。

4 多用途巡检拓展模块的优势

本文中介绍的多用途巡检拓展模块相比直接设计或改动现有的无人机飞控以满足任务需要的方案具有如下三个优势：对不同机型、不同任务的良好适应性，更强的可靠性，更好的图像处理性能。

针对不同的巡检任务，固定翼无人机与多旋翼无人机存在着各自的优势与劣势。固定翼无人机续航能力强，巡航速度快，但需要单独的辅助起降的设备，且无悬停能力，不适合对单个目标进行精细的多角度观察。多旋翼无人机起降条件简单，具有悬停能力，但巡航速度低，最大飞行时间普遍较短。而本文中的巡检拓展模块可以适应不同种类、型号的飞行器，且针对不同的任务更改程序的难度与程序复杂度均大大降低。

此外，由于拓展模块拥有一套单独的姿态检测传感器，故如果飞行控制器发生故障导致飞行器失控，拓展模块检测到姿态异常后可发出报警并根据实际情况强制飞行器悬停、降落或关闭发动机，降低了出现事故的可能性。

最后，由于无人机巡检经常需要用到机器视觉技术，如前文提到过的使用下视摄像头进行导航与对异常状况进行自动识别并拍照、报警等。在完成此类任务时，单独的巡检拓展模块有利于帮助飞控板分担运算负担，避免同一块处理器不但需要控制飞行器姿态，又要处理摄像头的数据，造成识别速度过慢，图像识别帧率过低等问题。

5 实际使用案例

本节中，本文将介绍一个实际的无人机巡线应用案例，并详细介绍本文中的巡检拓展模块是如何完成本节中的任务的。

在如图2所示的场地中，巡线无人机需要在指定地点起飞，以杆塔A-线缆-绕杆塔B-线缆-返回杆塔A-降落的顺序，完成输电线路与杆塔的巡检，在巡检过程中，无人机需自动检测杆塔上与输电线上的异物，并发出报警。

为完成上述任务，我们选择了搭载德研电科MSP432E401作为主控芯片的F330四轴无人机来搭载巡检拓展模块，巡检拓展模块通过五路PWM输出分别控制无人机的俯仰、横滚、偏航、飞行高度以及紧急停机。

由于任务中地面上也无明显表示物，且飞行高度较低（1.2m左右）故本次任务中使用光流定位的方法来保证无人机不会偏离航线，而为了避免起飞时的偏移，无人机使用了一个下视摄像头来使起过程中时无人机能稳定在起飞点上方，同时，该摄像头由一个两轴云台控制，在起飞后始终面向杆塔与线缆，以识别异物并在杆塔处校准无人机的位置。高度控制上，由于飞行高度需求不高，故无人机使用了TOF模块来进行精确的定高。整个飞行器的结构图如图3所示。为简化程序设计，摄像头模块使用了OPENMV4图像识别模块来进行图像识别的工作，而根据位置偏移量决定无人机飞行控制板俯仰、横滚、偏航、油门四个通道的输入值PID运算则在STM32F407中执行。同时，系统中配备了MPU’6050六轴运动处理组件以进行起飞时以及绕杆飞行时角度偏差的修正。

图2：实验场地

经过测试与对STM32F407的PID参数的整定，飞行器最终可以稳定、准确地飞行，完成线缆的巡检与异常状况的报警，并对问题区域拍摄清晰的照片，且几乎不受外界因素（如作业区域外的环境、光照、风力等）造成的干扰。

综上所述，本设计达到要求，无人机可以很好地完成定点起飞-巡线-绕杆飞行-巡线-降落的任务，且能在检测到异常状况时悬停拍照并报警，然后继续飞行任务。