无人机智能巡视关键技术的研究和设计

发布时间：2020-11-17 13:13

　　 随着我国经济社会的快速发展,公路、交通、通信和电力线路的建设也在逐渐增加,随之而来的巡视任务也越来越严峻。目前上述的巡查仍主要依靠人工定期实地巡视查看,该方法需消耗大量人力和时间,且由于人员不便于越过河流等复杂地形,它的巡视效率非常低。得益于近几年无人机技术的高速发展,无人机在电力巡视,乃至其他大型设施巡视中的应用也逐渐增加,直接促进了电力、桥梁等大型设施的巡视模式逐渐向机巡模式转变。但是,无人机在实际的巡视过程中也面临着诸多不可预知的问题,对无人机在各种复杂环境中的广泛应用带来了很大挑战。受制于周围环境对于无人机传感器的干扰以及没有高精度的定位装置,无人机很难实现沿规划路线自动导航巡视,只能依靠人工观察操作,精度低、效果差。同时,无人机使用的锂电池续航时间在30分钟左右,电池电量用尽之后需要人为更换电池,增加了巡视工作量,导致巡视效率降低。本文以无人机电力巡视作为出发点,通过对国内外无人机在电力巡视中的应用情况进行分析和研究,针对现存的问题和挑战,提出一种能广泛应用于各种复杂巡视环境的无人机综合智能巡视系统设计方案。在巡视终端设计一种充电平台,无人机以充电平台为跳板,可进行连续巡视,从而解决无人机的续航问题,同时巡视任务不受河流地形等环境的影响,增加巡视距离。在巡视过程中,利用先进无人机飞控系统及算法,使无人机能够按计划进行稳定、安全、准确的巡视。同时,针对巡视过程中无人机受电磁干扰的问题,提出了一种磁力计动态校准方法,解决了无人机在空中无法动态校准的问题。该设计方案可以解决无人机电力、变电站、桥梁、水库等大型设施巡视过程中面临的诸多问题。本设计方案的主要内容及成果如下:1.智能飞控系统作为整个智能巡视系统的核心,实时控制着无人机的姿态,实现稳定巡视及自动降落充电。本文利用先进的处理芯片及多种传感器模块,融合GPS及RTK数据,设计一套无人机智能飞控系统。前期进行画板、打样,后期进行焊接、装机。后期经过测试,该飞控系统整体运行稳定,抗风抗干扰能力强,符合无人机在各种复杂的环境下稳定运行所需满足的各项基本条件;2.利用GPS/RTK技术,实现较远距离的无人机引导降落,再使用机载相机,通过图像处理技术来实现无人机高精度定位,使无人机精准起降在自动充电平台上;通过充电接口的对接和卡位,对无人机电池实施自动充电,再结合无人机飞行控制系统,实现“蛙跳式”自动巡视。再逐步改进图像处理算法,从而提高实验过程中无人机的降落精度;3.地面站是无人机在空中飞行时的地面控制中心。本文首先利用机载的各类传感器采集无人机GPS/RTK坐标、速度、姿态等飞行状态信息,经机载计算机处理后,由通讯模块发送至地面站,地面站显示无人机此时的状态信息,对无人机状态进行监控,特殊情况下也可直接利用地面站夺取无人机的操作控制权,引导无人机沿航线飞行。地面站也可对无人机飞行轨迹和姿态等进行仿真研究,对无人机的可靠性和稳定性进行分析和测试;4.本文针对多旋翼无人机的磁力计在巡视过程中易受大型设施周围环境磁场干扰的问题,在静态校准的基础上提出一种小角度最小二乘迭代的动态校准方法。即连续采用最小二乘在小角度下拟合弧线并解算出球心,反复更新球心坐标,实现偏差修正,进一步改善无人机导航精度问题。经过仿真验证及实验测试,该方法能有效解决多旋翼无人机磁力计的动态校准问题,从而提高无人机在各种复杂环境下巡视的导航精度。
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279
【部分图文】：

目前已经具备了在大型设施巡视过程中本文围绕自动导航在大型设施巡视应用采用先进的机载微处理芯片和多种模块能飞控系统通过 PID、Kalman 滤波等先得出无人机的输出控制量，控制无人机统硬件设计，无人机需要处理大量传感器数据，因片，如图 2-1 所示，它具有 168 mhz 的高人机复杂浮点数据处理的需求。

第二章 无人机飞控系统的设计研究考虑到无人机传感器需要在高动态、高机动、宽温度范围环境下稳定工作，感器选用 BMI088，如图 2-2 所示，它由 16 位 24 g 量程加速度计和 16 位 2000 °陀螺组成，能在-40-85 ℃下稳定工作，它的设计能有效抑制由于 pcb 或整个系统构上的共振所造成的振动，并具有极低的温度偏移系数和温度灵敏度系数，特别于高性能无人机应用。

图 2-2 BMI088 传感器Fig.2-2 BMI088 sensor人机需要在室内室外等各种复杂环境下确定自身的相对高度。使用气压分正常飞行情况下得到无人机的相对高度，但用于测高的一般气压计都差。因此，本文为了准确测量相对高度，选用专门的无人机气压高度测量 位低噪声气压高度传感器 BMP388，如图 2-3 所示。
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本文编号：2887535