用于电力巡线的自转旋翼无人机导航控制系统的设计

摘要

随着国家的不断繁荣，电网的不断进步。我国的超高压和特高压输电逐渐成为主流的输电方式。这种电压等级的输电方式线路距离远，会经过湖泊、山川等极其复杂的地理环境，输电线路面临着安全运行方面的挑战、巡线的难度和工作量也与日俱增。随着无人机技术的发展，可以利用无人机对输电线路进行高效、安全的巡线作业，避免人工巡线作业的安全和效率方面的问题，利用无人机对输电线路进行巡检作业将会成为主流巡检方式。
　　首先，本文从工程应用的角度出发，在明确设计目标的情况下，对电力巡线自转旋翼无人机的导航控制系统的整体方案进行设计。以自转旋翼无人机为研发平台，对系统的数据采集部分和导航控制部分进行设计，并完成相关硬件选型以及电路的设计制作。
　　其次，本文针对自转旋翼无人机的空气动力特性进行分析，推导无人机的动力学模型。并将遗传算法应用到无人机输电线路巡检作业的路径规划中，从而得到最合理的巡检路径。使用MATLAB软件对无人机输电线路巡检路径规划算法进行仿真验证，分析仿真结果并判断该巡检路径规划算法是否满足系统设计要求。然后针对GPS和惯性导航的组合设计相应的控制算法，以满足无人机导航控制系统对导航精度的要求。设计相应的PID控制律对无人机的俯仰角、滚转角、航向角和速度进行控制，以减少无人机导航的误差。
　　最后，在仿真结果满足精度要求的情况下对无人机进行多次试飞调试，根据无人机回传到地面站的飞行数据，验证了本文所设计的导航控制系统满足整体方案的设计要求，在保证导航精度的情况下，可以控制无人机按照预定飞行路径安全平稳地抵达各巡线目的地。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究的目的与意义

1．2 无人机巡线技术的国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 本章小结

2 系统整体方案设计

2．1 电力巡线系统设计要求

2．2 系统试验平台

2．3 系统整体方案设计

2．4 地面控制站系统

2．5 硬件电路设计

2．5．1 差分GPS选型

2．5．2 惯性测量单元选型

2．5．3 气压传感器选型

2．5．4 单片机控制芯片选型

2．5．5 舵机选型

2．6 本章小结

3 无人机坐标变换及航迹规划

3．1 常用坐标系及其相互关系

3．2 自转旋冀无人机动力学模型

3．3 遗传算法

3．3．1 遗传算法的主要构成

3．3．2 遗传算法的运算流程

3．4 无人机电力巡线路径规划方法研究

3．4．1 染色体编码方式

3．4．2 适应度函数

3．4．3 遗传算子

3．5．4 终止准则

3．5 电力巡线路径规划MATLAB仿真分析

3．6 本章小结

4 用于电力巡线的无人机导航控制研究

4．1 导航系统

4．2 GPS导航原理

4．3 惯性导航原理

4．4 GPS／SINS组合方法

4．4．1 卡尔曼滤波器

4．4．2 组合方式

4．4．3 状态估计

4．5 无入机导航控制

4．5．1 飞行控制系统设计要求

4．5．2 无人机数学模型

4．5．3 PID控制算法

4．5．4 纵向通道控制律

4．5．5 横向通道控制律

4．5．6 速度通道控制律

4．6 系统软件设计

4．6．1 软件设计任务

4．6．2 软件设计流程

4．7 本章小结

5 无人机试飞调试

5．1 试飞内容及分析

5．2 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文