面向光伏巡检的四旋翼飞行器路径规划问题研究

发布时间：2020-05-24 21:07

【摘要】：四旋翼无人机以其优良的性能和低廉的造价,正逐渐应用到越来越多的领域中,其中包括针对大型光伏电站的故障巡检。通常由无人机搭载机载处理器、云台相机及相应传感器,对光伏场区进行覆盖式巡航,在指定航点获取光伏组件的图像后进行故障的分析检测。在实际应用中发现,仅考虑到达目标点的轨迹规划方案因为没有考虑到四旋翼无人机的运动学特性,会造成区域漏检,影响最终检测结果的可靠性。此外,由于旋翼无人机续航能力的限制,巡检过程中的飞行路径规划也会直接影响到任务的执行效率。本文对光伏巡检场景下的无人机路径规划问题进行了初步研究。首先,本文结合四旋翼无人机的动力学模型,分析了巡检过程中无人机的飞行姿态对最终的巡检结果造成的影响,并在此基础上对无人机的飞行路径进行建模,合理选取决策变量,运用多目标粒子群算法,得到一系列可选的Bezier曲线,作为无人机最终的巡检路径。分析MATLAB仿真结果可知,该算法求解轨迹规划问题时会得到有效非劣解集,供后续选择。出于工业系统的可靠性需求,仅在已知先验静态地图的情况下对无人机进行离线路径规划时,在某些场景下会有一定的安全隐患,如飞行过程中可能会遇到未定义的障碍物,因此需要无人机实时监测周围环境的情况,并针对障碍物做出快速反应,在躲避障碍物的基础上到达目标点。本文研究了基于动态窗口法的局部路径规划方案,并通过MATLAB算法仿真验证了其有效性。最后,本文介绍了基于Matrice 100的无人机光伏巡检系统的主要硬件配置和整体系统架构,将本文提出的离线轨迹优化算法应用到系统中,分析由传感器得到的姿态角信息,在同样的飞行效率下,与之前的飞行方案对比,验证了该方法的有效性;再通过在ROS下的仿真平台rviz和gazebo,对基于动态窗口法的无人机局部路径规划方法规避障碍物的能力进行了验证。
【图文】：

示意图,无人机,零子,大地坐标系

零子午面逦７＾７逦／＼逦＼逡逑（ｌ９８４0）Ｔｒｘ邋］））逡逑图２－１大地坐标系逡逑Ｍ２逦Ｍｌ逡逑ａＴ0逡逑图２－２机体坐标系逡逑３．导航坐标系逡逑导航坐标系筒称Ｎ系，也被称作地面坐标系。由于在大多数情况逡逑下，相比于小型四旋翼无人机在椭球中的位置信息，人们更关心它在平面中的位逡逑置和速度，导航坐标系便应运而生。导航坐标系的原点一般是无人机在ＧＰＳ星逡逑数达到要求后的起始位置，大部分时候在无人机的起飞点。其中，轴通常指向逡逑正北方向，ｘ？轴指向正东方向，ｚ？轴由＼和少？根据右手法则确定，竖直于地面逡逑向下。因此，导航坐标系也可以被称为北东地坐标系（ＮＥＤ）。示意图如图２－３所逡逑不。逡逑７逡逑

示意图,大地坐标系

逦Ｍｌ逡逑ａＴ0逡逑图２－２机体坐标系逡逑３．导航坐标系逡逑导航坐标系筒称Ｎ系，也被称作地面坐标系。由于在大多数情况逡逑下，，相比于小型四旋翼无人机在椭球中的位置信息，人们更关心它在平面中的位逡逑置和速度，导航坐标系便应运而生。导航坐标系的原点一般是无人机在ＧＰＳ星逡逑数达到要求后的起始位置，大部分时候在无人机的起飞点。其中，轴通常指向逡逑正北方向，ｘ？轴指向正东方向，ｚ？轴由＼和少？根据右手法则确定，竖直于地面逡逑向下。因此，导航坐标系也可以被称为北东地坐标系（ＮＥＤ）。示意图如图２－３所逡逑不。逡逑７逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V249;TM615

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