面向隧道巡检的四轴飞行器平台设计与实现

发布时间：2020-06-10 09:16

【摘要】：近年来,随着四轴飞行器技术的进步,其应用场合逐渐增多,在室内环境下发挥的作用也越来越大。目前,在室内环境中,四轴飞行器的研究方向主要包括仓库巡检、未知环境探测以及多机协作等。此外,在隧道这种复杂环境下,四轴飞行器也开始崭露头角。因此,本文结合隧道巡检的应用背景,围绕四轴飞行器的飞行控制系统以及主动引导式的巡检控制系统,设计并实现整个四轴飞行器平台。飞行控制系统是四轴飞行器能够稳定飞行的核心,主要包括姿态控制系统以及位置控制系统。其中,姿态控制系统由姿态解算以及姿态控制器组成,在本文中,姿态解算使用串级EKF(扩展卡尔曼滤波)算法,对IMU(惯性测量单元)数据以及磁强计数据进行融合处理,得到四轴飞行器的姿态信息,并将该信息用于姿态控制系统的反馈环节;姿态控制器是一个双回路控制器,外环使用PID控制算法,内环使用自抗扰控制(ADRC)算法,并将输出的控制量分配到四轴飞行器的四个电机中,从而对飞行器的姿态进行控制。位置控制系统包括位置估计以及位置控制器两个部分,其中,位置估计是通过EKF对加速度数据以及位置数据进行融合,并将融合之后的数据用于位置控制系统的反馈环节;位置控制器是一个双回路PID控制,并对每个环节的输出进行一次保方向饱和的限幅处理。在巡检过程中,要求飞行器能够自主飞行,因此,本文设计了一个主动引导的巡检方案,主要由相对位姿计算以及巡检控制器两个部分组成。先通过巡检设备得到LED灯的图像,再对图像进行处理,得到LED的位置,然后通过求解PNP(透视n点定位)问题,计算出四轴飞行器与LED灯平面的相对位姿。同时,针对本文设计的巡检方案,设计相应的控制器,并将计算得到的相对位姿数据送入控制器中,得到控制量输出。之后,将LED灯的速度作为补偿,得到最终的控制量,从而实现整个巡检控制系统。最后,根据课题需要,先对四轴飞行器的飞行控制系统以及巡检控制系统进行参数调试,以达到最优的控制效果。再针对四轴飞行器的各个部分,设计多项测试环节,验证算法的可行性。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U456.3;V279;V249

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本文编号：2706093