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学位论文:电力巡检多旋翼无人机避障技术研究.pdf
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1、电子科技大学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA专业学位硕士学位论文MASTER THESIS FOR PROFESSIONAL DEGREE万方数据Research on obstacle avoidance technology of multi rotor UAV in power inspectionA Master Thesis Submitted toUniver sity of Electr onic Science and Technology of ChinaMajor:_Master of Engi
2、neering_Author:_Zhang Yu_Super visor:_Zhou Xiaojia_School:School of Automation Engineering万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。作者签名:日期:年 月 日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、
3、使用学位论文 的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)作者签名:导师签名:日期:年 月 日万方数据摘要摘要作为国内外无人机研究的热点,多旋翼无人机已经因其极简的结构和超强的 机动能力,在军、民两面均得到了广泛的应用。得到了各大科研机构学者的广泛关 注。近年来,多旋翼无人直升机已经逐渐应用于电力巡检,无人机电力巡检大大提 高巡检效率。同时由于无人机电力巡检复杂的使用环境及视角差原因,操
4、控手往往 很难准确计算无人机与铁塔的相对位置,当无人机靠近铁塔时,飞控系统不能纠正 操控手错误的操控命令,这在一定程度上会导致碰撞事故的发生。为解决这些问题,本文从目前电力巡检无人机现状出发,开展基于电力巡检多 旋翼的避障技术研究。主要研究内容有如下几点:首先,分析电力巡检无人机飞行过程中主要的两大过程。并设计了快速随机扩 展树算法完成了在二维及三维任务空间的避障航迹规划。并设计航迹修剪及贝赛 尔曲线对求得的避障航迹进行修剪和平滑处理。其次,分析四旋翼无人机数学模型和控制算法,并在四旋翼飞行数学模型的基 础上,建立辅助避障控制系统数学模型。并在该数学模型的基础上引入PID控制 器,实现了对避障
5、控制系统中油门、俯仰、横滚三个通道的控制效果仿真。再次,设计了一台轴距为90cm的四旋翼飞行测试平台,并确定了 360度激光 扫描的环境检测方案。在此基础上以STM32为平台完成了辅助避障控制系统的硬 件设计与制作,并完成了辅助避障控制算法的实现。最后,为验证控制算法的可靠性及控制系统的有效性。对辅助避障系统的检测 性能、遥控指令的捕获与输出效果、无人机飞行性能进行相关测试。结果表明,本无人机辅助避障控制系统可适应不同的飞控平台,具备一定的避 障能力,对墙、树、较大电压等级铁塔具备一定避障能力。关键字:电力巡检,多旋翼无人机,快速随机扩展树,PID控制,避障系统万方数据ABSTRACTABST
6、RACTAs one of the attr active r esear ch fields,multi-r otor air cr aft has been widely used in both militar y and civilian applications because it have a simple str uctur e and super maneuver capability,This makes it has been widely concer ned by the scholar s of the major scientific r esear ch ins
7、titutions.In r ecent year s,Multi-r otor unmanned helicopter has been incr easingly used in electr ical inspection.Power inspection gr eatly impr ove the efficiency of inspection because of multi-r otor unmanned helicopter.Dur ing in the inspection,Judgment of the position ofhelicopter mainly r ely
8、on the manipulator s visual inspection.The manipulator is often difficult to accur ately calculate the r elative position of the helicopter and Tower.When the helicopter near the Eiffel Tower,contr ol system can not cor r ect the er r or handling hand manipulation commands.This will lead to a cer ta
9、in extent accident.This ar ticle embar ks fr om the pr esent situation of electr ical inspection,and do r esear ch on the technology of obstacle avoidance for multi r otor based on power inspection.The main wor k of this ar ticle is as follows:Fir st of all,Analyzed the two main pr ocesses in the fl
10、ight pr ocess of electr ical inspection.Designed RRT algor ithm to avoid the obstacle avoidance path planning in 2D and 3D space.And Pr uned and smoothed the tr ack of avoid obstacles.Secondly,Analyzed the mathematical model and contr ol algor ithm of four r otor UAV.And established the mathematical
11、 model of auxiliar y obstacle avoidance system.Intr oduced a PID contr oller based on this mathematical model and r ealized the simulation on thr ee channels which ar e thr ottle,pitch and r oll.Thir dly,Designed a four r otor flight test platfor m with a wheelbase of 90cm,and deter mined the envir
12、onmental testing method is 360 laser scanner.On the basis of this,Completed the har dwar e design and manufactur e of the assistant obstacle avoidance contr ol system,and Completed the implementation of the contr ol algor ithm of the auxiliar y obstacle avoidance.Last,In or der to ver ify the r elia
13、bility of the contr ol algor ithm and the effectiveness of the auxiliar y obstacle avoidance.Completed the test including the detection per for mance of obstacle avoidance system,auxiliar y r emote contr ol command to captur e and output effect,and UAV flight per for mance test.万方数据ABSTRACTThe r esu
14、lts show,this auxiliar y obstacle avoidance system can adapt to differ ent flight contr ol platfor m,and have a cer tain ability to avoid obstacles to wall,tr ee and lar ger voltage level tower.Keywords:electr ical inspection,Many r otor unmanned aer ial vehicle(uav),RRT,PID Contr ol algor ithm,obst
15、acle avoidance systemin万方数据目录目录第一章绪论.11.1 研究工作的背景与意义.11.1.1 研究背景概述.11.1.2 多旋翼无人机在电力系统中的应用现状.21.1.3 课题研究现状.31.2 论文研究内容.41.3 论文结构安排.51.4 本章小结.7第二章多旋翼无人机数学模型及控制原理.82.1 引言.82.2 电力巡检多旋翼无人机的数学模型.82.3 多旋翼无人机姿态控制率设计.112.3.1 多旋翼无人机数学模型的线性化过程.112.3.2 线性化控制率设计.132.4 本章小结.14第三章多旋翼无人机避障航迹规划技术研究.153.1 引言.153.2 常见
16、的航迹规划算法.153.3 基于快速扩展随机树的避障航迹规划算法.173.3.1 RRT算法的基本原理.173.3.2 基于RRT算法的无人机避障航迹仿真.193.3.3 避障路径的修剪与平滑.203.3.4 三维环境下的避障航迹规划仿真.223.4 本章小结.26第四章多旋翼辅助避障控制系统数学模型及算法设计.274.1 弓|言.274.2 无人机辅助避障控制系统数学模型.274.2.1 传统无人机位置控制数学模型.274.2.2 辅助避障控制系统数学模型.284.2.3 避障控制信号的反解算.324.3 基于辅助避障控制数学模型的PID辅助避障控制算法.32IV万方数据目录4.3.1 PI
17、D控制原理.324.3.2 辅助避障系统的PID控制仿真.344.4 基于遗传算法的辅助避障控制PID参数整定算法.374.4.1 遗传算法基本原理.374.4.2 基于遗传算法的辅助避障控制PID参数整定方法.394.5 本章小结.43第五章避障控制系统硬件设计及结果测试.455.1 弓|言.455.1.1 避障航迹规划.455.1.2 辅助避障控制.465.2 无人机飞行平台及避障控制系统设计.495.2.1 无人机飞行平台设计.495.2.2 避障控制系统硬件设计.505.3 避障控制系统系统开发.555.3.1 避障航线规划.555.3.2 辅助避障控制.565.4 测试.575.4.
18、1 检测精度性能测试.575.4.2 控制信号捕获与输出测试.61543实际飞行测试及分析.635.5 本章小结.65第六章总结与展望.666.1 论文总结.666.2 工作展望.67致谢.68参考文献.69攻读硕士期间的研究成果.72v万方数据第一章绪论第一章绪论1.1研究工作的背景与意义1.1研究背景概述随着科学的进步和经济发展,人类世界得到了翻天覆地的变化。自上世纪美国 莱特兄弟在北卡罗拉州成功试飞人类历史上第一驾飞机开始。人类世界在飞行器 方面进入了一个全新的时代。至此以后,飞行器技术得到了迅速发展。最近几十年,随着微机电系统(MEMS,Micr o-Electr o-Mechanic
19、al System)的发展。无人飞行器 逐渐进入人类世界,无人机系统(UAS:Unmanned Air cr aft System)也称做无人机 驾驶航空器系统(RPAS:Remotely Piloted Air cr aft Systems),是指一架无人机、相关的遥控站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他 部件组成的系统口0。从平台结构上分类,无人机可以分为固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等。按照无人机用途来分,无人机又分为军用无人机和民 用无人机两大类。军用无人机可分为侦察无人机、诱饵无人机、电子对抗无人机、通信中继无人机、无人战斗机以及靶
20、机等;民用无人机可分为巡查监视无人机、农用无人机、气象无人机、勘探无人机以及测绘无人机等。图1-1各类型的无人机在上述这几类无人机中,有一类无人机在近几年的发展和应用速度非常快。这 类无人机就是多旋翼无人机。多旋翼无人机是指在机体对称分布、正反转螺旋桨成 对提供飞行升力的飞行器。这种飞行器的螺旋桨常以大于4的数量对称出现,常 见的有四旋翼、六旋翼、八旋翼飞行器。十六旋翼的多旋翼无人机也常用于较大飞 行载荷的场景。不论是多少旋翼的无人机,他们都具有相同等结构特性:结构简单、万方数据电子科技大学硕士学位论文较小的噪声、简便的操作方式、较小的安全危害性、飞行稳定等。这些特性使得人 们常把多旋翼无人机
21、用于中短距离的飞行任务。图1-2为目前市面上常见的多旋翼 无人机。DJI S1000 Micr odr one MD4-3000图1-2常见的多旋翼无人机近年,包括北京航空航天大学2刊、天津大学口。-冏、哈尔滨工业大学口4-陶、国 防科技大学回2。以及宾夕法尼亚大学Pl%在内的众多国内外研究学者对多旋翼无 人机展开了研究。研究方向主要集中于以下几个方向:(1)多旋翼无人机的数学建模与飞行控制研究。基于在多旋翼数学模型的基础 上开展无人机飞行控制研究,如无人机的自主飞行预轨迹跟踪控制、多旋翼无人机 的非线性姿态控制、多旋翼无人机的容错控制等。值得一提的是,在2016TED大 会上,瑞士联邦理工学
22、院23的拉菲罗安德烈教授演示的全球首个能从自身方向 和旋转状态切换到任何飞行方向的多旋翼飞行器。同时,还演示了单螺旋机及合成 蜂群。以展示其在旋翼无人机控制方面的优异效果。(2)无人机导航技术研究。在基于各类传感设备如GPS126-28、惯性导航、计算 机视觉ms。的无人机导航技术研究。1.1.2 多旋翼无人机在电力系统中的应用现状输电线路是电网的重要组成部分,输电线路巡视是保障其可靠性运行的重要 手段,随着新技术、新方法以及新的管理理念的引入,无人机已逐步得到重视并开 始应用于输电线路巡视作业,在一定程度上弥补了传统人工巡视的不足,特别是在 高山等人工不易达区域优势更为明显。根据巡视作业任务
23、的差异化以及无人机自 身特点,固定翼无人机和多旋翼无人机是两种主要的无人机巡视作业工具。固定翼 飞行速度快,续航能力强,常被用于远距离通道快速巡视,但是,固定翼无人机无 法悬停,对输电线路的细节巡视能力不足。而多旋翼无人机飞行速度慢,具有定点 悬停功能,可对特定巡视目标进行细节观察,有利于缺陷发现,图1-3为多旋翼无 万方数据第一章绪论人机巡视作业团-251。图1-3旋翼无人机巡视现场然而,这类多旋翼无人机在为电力巡检带来很大效率的同时,仍然存在许多不 足之处,比如:1)飞行距离远带来航线存在碰撞风险。在无人机前往作业区域时,可能由于实 际环境情况与飞行航线的冲突导致无人机执行航线飞行过程中产
24、生碰撞情况。2)操控困难。目前输电线路的无人机巡视还是主要通过操控手人工操控,对 操控手的技能要求高,受视距和视角差的影响,操控手易误判无人机和巡视目标、障碍等的位置关系,导致无人机姿态调整困难,目标定位不准,影响巡视效果,甚 至出现操控失误,给电力无人机巡检带来很大的安全隐患。3)稳定性差。传统多旋翼携带的电子设备在靠近输电线强电场环境下,极易 受到干扰,出现漂移现象,严重情况下甚至漂移至电线上,机毁人亡。考虑到电力巡检的应用需求,为解决上述不足,研究多旋翼无人机的控制及蔽 障算法就显得十分的迫切。通过研究,将赋予旋翼无人机更加精确的稳定性,同时 使其具备自动避障能力,在避障范围内自主切换操
25、控手指令,自主避障。在一定程 度上杜绝由于远距离视角差导致操控手判断失误而误操作现象。1.1.3 课题研究现状不仅仅是在无人机电力巡检中会出现针对上述不足之处。在其他多旋翼无人 机应用领域也同样会出现这些不足之处。对此,国内外学者纷纷在无人机避障领域 展开了许多研究:2016 国际消费类电子产品展览会(Inter national Consumer Electr onics Show,简 称CES)上,由intel和Yuneec联合研发的无人机Typhoon H。如图1-4所示,该 机借助英特尔的RealSense摄像头和CPU。采用主动立体成像原理模仿人眼的视差3万方数据电子科技大学硕士学位
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