电力巡检四旋翼无人机的控制系统研究与设计
发布时间：2021-06-16 18:34
电网系统作为我国社会经济发展的支柱性产业,为了保障其安全稳定的运行,需要定期对高压杆塔及其输电线路做故障排查。传统故障排查主要是由电力工人在现场通过攀爬杆塔或者使用望远镜观察的方式实施,这种方式不仅效率低,而且还会对电力工人的人身安全造成威胁。因此相对于传统方式,利用四旋翼无人机做巡检可以很好的满足安全性与效率的双重要求,并且其具备的垂直起降和空中悬停特性,非常适合应用于电力巡检场景。本文的研究目的是设计出一套应用于电力巡检场景中的四旋翼无人机控制系统,以此提升无人机巡检的效率和系统稳定性。为了掌握电力巡检的行业背景及意义,首先阐述了其目前存在的突出问题,然后在对三种无人机各自特点进行介绍的同时,提出利用四旋翼无人机作为巡检的解决方案。为了实际验证本文设计的飞行控制系统,搭建了电力巡检四旋翼无人机的硬件平台,包括动力系统、飞控系统以及地面站指挥系统,并对每个子系统进行了介绍和分析。对四旋翼无人机的4种运动物理过程做详细介绍后,基于体坐标系与地坐标系之间的相互关系,通过牛顿-欧拉方程以及欧拉-拉格朗日方程对四旋翼无人机的平动和旋转模型进行描述,并为其建立了动力学模型。在数学模型的基础上,...
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）德国“鹈鹕”无人机（b）加拿大“侦察兵”无人机
重庆理工大学硕士学位论文4这款无人机的的航速最高达到了50km/h，遥控距离达到3km左右，与其它同级别无人机相比，它能承受最大80km/h的大风，机身还安装了昼夜照相机用以完成特殊任务[36]。此款无人机最引人注目的地方在于，它与地面站间的全部通信信息都是经过严格数字加密的，具有很强的防信息拦截和视频窃取能力。（a）（b）图1.1（a）德国“鹈鹕”无人机（b）加拿大“侦察兵”无人机在国内，国家电网旗下的机器人实验室对电力巡检应用场景下的无人机做了许多针对性很强的科学研究，其中主要包括了验证无人机搭载相关检测装置对输电线路和杆塔进行巡检的可行性[37]。在实际的应用测试中，无人机可以安装云台照相机和红外热成像仪等装置在地面操控手的控制下沿输电线路飞行，其搭载的云台照相机能够拍摄高压杆塔绝缘子等设备上的故障点，搭载的红外热成像仪可实现输电线路上因故障导致的温度异常点检测。国家电网还和中飞艾维公司联合研发了龙巢系统，如图1.2所示。龙巢系统可以极大的减小电力巡检的成本，并使巡检效率得到显著提升，为智能电网建设添砖加瓦[38-39]。目前，该系统能够完成无人机巡检数据采集、线路规划、数据分析处理等任务，并且通过自主数据分析处理技术以及空间距离矢量数据获取技术能够实现自主航线设计，构建出了前端现场自主命令执行、后端智能规划和控制的自主作业模式。此外，在变电站或者输电线路建设智能平台，就能够实现无人机状态环境智能自判断、自主能源获娶自主充电等任务。图1.2国家电网龙巢系统
2电力巡检四旋翼无人机硬件平台搭建72电力巡检四旋翼无人机硬件平台搭建本章将从动力系统、飞控系统、地面站指挥系统以及视觉系统这四个部分来搭建电力巡检四旋翼无人机的硬件平台。因为视觉系统由本团队中其他成员负责研究，并且本文的研究重点是四旋翼无人机的飞控系统，因此，本章主要对动力系统、机载飞控系统、地面站指挥系统三部分进行阐述，目标为结合电力巡检应用场景对四旋翼无人机的各种要求，对其硬件系统进行合理的模块选型。2.1四旋翼无人机的结构四旋翼无人机的机架呈十字交叉状，此结构能有效降低机身所受到来自电机转动产生的震动影响，这种结构具有的诸多优势，使得它在电力巡检场景中得到了广泛的应用。4个独立电机采取正反转的组合方式，可以巧妙的抵消掉反扭力作用，避免无人机自转，具体实施方法将在第三章详述。如图2.1为四旋翼无人机的组成单元。图2.1四旋翼无人机的组成单元（1）机架：四旋翼无人机的机架通常呈“十”或“X”字对称，机架是整个系统的硬件基础，四旋翼无人机的实用性和安全性都与机架结构设计有着紧密关系。（2）动力系统：通常包括电机、桨叶、电调和电池。动力系统是影响四旋翼无人机性能优劣的重要原因之一，例如载重能力、飞行里程、飞行高度和飞行速度等。（3）飞控系统：它可以看作是四旋翼无人机的心脏，负责控制全部外围硬件的运行、连接地面站通信、检测飞行状况等核心工作，实现导航、控制、决策等功能。（4）视觉系统：通常包括摄像头、GPS、热传感器等模块，视觉系统在电力巡检应用中发挥着重要作用，可实现高温报警、输电线断裂监测、绝缘子检测等功能。（5）指挥控制系统：通常意义上，是由遥控器发送控制指令到机端的接收器，
【参考文献】：
期刊论文
[1]广东电网大型无人直升机电力线路规模化巡检应用及效果[J]. 钱金菊,麦晓明,王柯,易琳,彭向阳,饶章权. 广东电力. 2016(05)
[2]基于PD-ADRC的四旋翼控制器设计[J]. 张岱峰,罗彪,梅亮. 测控技术. 2015(12)
[3]四旋翼飞行控制系统的模糊PID控制策略研究[J]. 姚灵灵,贺乃宝,高倩,宋伟. 自动化与仪器仪表. 2015(10)
[4]一种用于四旋翼飞行器的航拍增稳云台的设计[J]. 高铭,陈昕,袁博,朱一凡. 信息通信. 2015(10)
[5]无人机在电力输电线路的各种应用[J]. 黄谨益. 大众科技. 2015(09)
[6]无人直升机电力线路巡检自动航迹优化[J]. 谢小伟,彭向阳,刘正军,麦晓明,左志权,王珂. 测绘科学. 2015(08)
[7]无人机摄影测量技术在电力系统中的应用研究[J]. 李明明,丁淼,秦宇翔. 电子世界. 2015(14)
[8]电力巡线无人机数据传输系统研究[J]. 魏传虎,任杰,张晶晶,刘俍,王万国,杨贺. 电子技术应用. 2015(07)
[9]基于无人机多传感器数据采集的电力线路安全巡检及智能诊断[J]. 彭向阳,陈驰,饶章权,杨必胜,麦晓明,王柯. 高电压技术. 2015(01)
[10]微小型四旋翼无人飞行器姿态控制[J]. 王伟,王昱,夏旻. 计算机仿真. 2014(12)
博士论文
[1]四旋翼无人机几何滑模姿态控制技术和抗扰应用研究[D]. 安宏雷.国防科学技术大学 2013
硕士论文
[1]基于多传感器数据融合的小型四旋翼无人机姿态解算研究[D]. 李二闯.新疆大学 2019
[2]基于四旋翼无人机的电力巡检研究[D]. 陈文浩.郑州大学 2019
[3]基于滑模自抗扰技术的四旋翼无人机控制研究[D]. 车建峰.天津理工大学 2019
[4]基于自抗扰控制的四旋翼无人机飞行控制研究[D]. 王赛赛.哈尔滨工程大学 2019
[5]四旋翼无人机姿态的自抗扰控制算法研究[D]. 唐堂.广西师范大学 2018
[6]四旋翼无人机自抗扰飞行控制研究[D]. 王向磊.西南科技大学 2018
[7]基于自抗扰算法的四旋翼无人机抗风性能研究[D]. 史腾飞.华北电力大学 2017
[8]电力巡检四旋翼无人机自主控制系统设计[D]. 赵辉.电子科技大学 2016
[9]基于多智能体系统的多机器人路径规划方法研究及应用[D]. 王维.电子科技大学 2015
[10]四旋翼飞行器的滑模控制算法研究[D]. 白敬洁.哈尔滨理工大学 2015
本文编号：3233576
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）德国“鹈鹕”无人机（b）加拿大“侦察兵”无人机
重庆理工大学硕士学位论文4这款无人机的的航速最高达到了50km/h，遥控距离达到3km左右，与其它同级别无人机相比，它能承受最大80km/h的大风，机身还安装了昼夜照相机用以完成特殊任务[36]。此款无人机最引人注目的地方在于，它与地面站间的全部通信信息都是经过严格数字加密的，具有很强的防信息拦截和视频窃取能力。（a）（b）图1.1（a）德国“鹈鹕”无人机（b）加拿大“侦察兵”无人机在国内，国家电网旗下的机器人实验室对电力巡检应用场景下的无人机做了许多针对性很强的科学研究，其中主要包括了验证无人机搭载相关检测装置对输电线路和杆塔进行巡检的可行性[37]。在实际的应用测试中，无人机可以安装云台照相机和红外热成像仪等装置在地面操控手的控制下沿输电线路飞行，其搭载的云台照相机能够拍摄高压杆塔绝缘子等设备上的故障点，搭载的红外热成像仪可实现输电线路上因故障导致的温度异常点检测。国家电网还和中飞艾维公司联合研发了龙巢系统，如图1.2所示。龙巢系统可以极大的减小电力巡检的成本，并使巡检效率得到显著提升，为智能电网建设添砖加瓦[38-39]。目前，该系统能够完成无人机巡检数据采集、线路规划、数据分析处理等任务，并且通过自主数据分析处理技术以及空间距离矢量数据获取技术能够实现自主航线设计，构建出了前端现场自主命令执行、后端智能规划和控制的自主作业模式。此外，在变电站或者输电线路建设智能平台，就能够实现无人机状态环境智能自判断、自主能源获娶自主充电等任务。图1.2国家电网龙巢系统
2电力巡检四旋翼无人机硬件平台搭建72电力巡检四旋翼无人机硬件平台搭建本章将从动力系统、飞控系统、地面站指挥系统以及视觉系统这四个部分来搭建电力巡检四旋翼无人机的硬件平台。因为视觉系统由本团队中其他成员负责研究，并且本文的研究重点是四旋翼无人机的飞控系统，因此，本章主要对动力系统、机载飞控系统、地面站指挥系统三部分进行阐述，目标为结合电力巡检应用场景对四旋翼无人机的各种要求，对其硬件系统进行合理的模块选型。2.1四旋翼无人机的结构四旋翼无人机的机架呈十字交叉状，此结构能有效降低机身所受到来自电机转动产生的震动影响，这种结构具有的诸多优势，使得它在电力巡检场景中得到了广泛的应用。4个独立电机采取正反转的组合方式，可以巧妙的抵消掉反扭力作用，避免无人机自转，具体实施方法将在第三章详述。如图2.1为四旋翼无人机的组成单元。图2.1四旋翼无人机的组成单元（1）机架：四旋翼无人机的机架通常呈“十”或“X”字对称，机架是整个系统的硬件基础，四旋翼无人机的实用性和安全性都与机架结构设计有着紧密关系。（2）动力系统：通常包括电机、桨叶、电调和电池。动力系统是影响四旋翼无人机性能优劣的重要原因之一，例如载重能力、飞行里程、飞行高度和飞行速度等。（3）飞控系统：它可以看作是四旋翼无人机的心脏，负责控制全部外围硬件的运行、连接地面站通信、检测飞行状况等核心工作，实现导航、控制、决策等功能。（4）视觉系统：通常包括摄像头、GPS、热传感器等模块，视觉系统在电力巡检应用中发挥着重要作用，可实现高温报警、输电线断裂监测、绝缘子检测等功能。（5）指挥控制系统：通常意义上，是由遥控器发送控制指令到机端的接收器，
【参考文献】：
期刊论文
[1]广东电网大型无人直升机电力线路规模化巡检应用及效果[J]. 钱金菊,麦晓明,王柯,易琳,彭向阳,饶章权. 广东电力. 2016(05)
[2]基于PD-ADRC的四旋翼控制器设计[J]. 张岱峰,罗彪,梅亮. 测控技术. 2015(12)
[3]四旋翼飞行控制系统的模糊PID控制策略研究[J]. 姚灵灵,贺乃宝,高倩,宋伟. 自动化与仪器仪表. 2015(10)
[4]一种用于四旋翼飞行器的航拍增稳云台的设计[J]. 高铭,陈昕,袁博,朱一凡. 信息通信. 2015(10)
[5]无人机在电力输电线路的各种应用[J]. 黄谨益. 大众科技. 2015(09)
[6]无人直升机电力线路巡检自动航迹优化[J]. 谢小伟,彭向阳,刘正军,麦晓明,左志权,王珂. 测绘科学. 2015(08)
[7]无人机摄影测量技术在电力系统中的应用研究[J]. 李明明,丁淼,秦宇翔. 电子世界. 2015(14)
[8]电力巡线无人机数据传输系统研究[J]. 魏传虎,任杰,张晶晶,刘俍,王万国,杨贺. 电子技术应用. 2015(07)
[9]基于无人机多传感器数据采集的电力线路安全巡检及智能诊断[J]. 彭向阳,陈驰,饶章权,杨必胜,麦晓明,王柯. 高电压技术. 2015(01)
[10]微小型四旋翼无人飞行器姿态控制[J]. 王伟,王昱,夏旻. 计算机仿真. 2014(12)
博士论文
[1]四旋翼无人机几何滑模姿态控制技术和抗扰应用研究[D]. 安宏雷.国防科学技术大学 2013
硕士论文
[1]基于多传感器数据融合的小型四旋翼无人机姿态解算研究[D]. 李二闯.新疆大学 2019
[2]基于四旋翼无人机的电力巡检研究[D]. 陈文浩.郑州大学 2019
[3]基于滑模自抗扰技术的四旋翼无人机控制研究[D]. 车建峰.天津理工大学 2019
[4]基于自抗扰控制的四旋翼无人机飞行控制研究[D]. 王赛赛.哈尔滨工程大学 2019
[5]四旋翼无人机姿态的自抗扰控制算法研究[D]. 唐堂.广西师范大学 2018
[6]四旋翼无人机自抗扰飞行控制研究[D]. 王向磊.西南科技大学 2018
[7]基于自抗扰算法的四旋翼无人机抗风性能研究[D]. 史腾飞.华北电力大学 2017
[8]电力巡检四旋翼无人机自主控制系统设计[D]. 赵辉.电子科技大学 2016
[9]基于多智能体系统的多机器人路径规划方法研究及应用[D]. 王维.电子科技大学 2015
[10]四旋翼飞行器的滑模控制算法研究[D]. 白敬洁.哈尔滨理工大学 2015
本文编号：3233576
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