用于电力巡线的自转旋翼无人机避障控制的研究

摘要

随着经济发展和社会改革的不断深入，电力在人类生活中起着越来越重要的作用，电力巡检的方式由以前的人工巡检逐步地向无人机巡检迈进。本文从巡线实际出发，结合国内外相关领域的研究成果，对自转旋翼无人机在线路巡检中避障控制问题展开研究。
　　根据课题要求，分析自转旋翼无人机运动控制原理，建立飞控系统坐标系，引入运动参数，对无人机动力学模型进行分析，以ZX100自转旋翼无人机为平台，对无人机避障系统整体方案及软硬件系统进行设计，应用激光雷达测距传感器对障碍物进行检测，用GPS定位，用气压高度传感器确定了无人机的飞行高度，用STM32F429为微处理器，实现自动障碍物检测。
　　通过对传统PID算法及现代避障控制方案分析，设计了纵向、横向避障控制方案以及基于改进的人工势场法的避障控制方案。利用Matlab对无人机高度、速度以及偏航角的算法进行仿真检验，根据仿真结果判断设计是否满足要求。
　　最后，在地理环境允许的前提下，对所设计的巡线避障方案的应用效果进行试验，通过电台回传到地面站的数据进行分析，试飞结果表明，本方法基本实现了电力巡线无人机避障的控制，达到了设计要求。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 课题背景及意义

1．2 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 电力巡线用无人机运动控制原理

2．1 电力巡线用无人机任务要求

2．2 巡线避障的必要性

2．3 电力巡线用无人机运动原理

2．4 坐标系定义

2．5 无人机的巡线运动参数

2．5．1 欧拉角

2．5．2 气流角

2．5．3 航迹角

2．6 无人机飞行动力学模型与分析

2．6．1 旋翼拉力

2．6．2 螺旋桨推力

2．6．3 机体重力

2．7 本章小结

3 电力巡线用无人机控制系统设计

3．1 硬件设计

3．1．1 动力系统

3．1．2 飞行控制系统

3．1．3 测距系统

3．1．4 地面控制系统

3．2 软件设计

3．2．1 测距系统流程图

3．2．2 舵机调速系统流程图

3．2．3 地面控制系统流程图

3．3 本章小结

4 巡线避障控制方案的设计与仿真

4．1 巡线避障控制方案的介绍

4．1．1 传统避障控制方案的特点

4．1．2 现代智能避障方案的特点

4．2 纵向巡线避障控制方案的设计

4．2．1 经典PID控制算法

4．2．2 纵向通道避障控制方案的设计

4．2．3 仿真与分析

4．3 横向巡线避障控制方案的设计

4．3．1 无人机横向避障飞行受力分析

4．3．2 基于航迹二次规划的横向避障控制回路的设计

4．3．3 固定高度避障控制策略

4．3．4 仿真与分析

4．4 基于改进的人工势场法的巡线避障控制策略

4．4．1 经典人工势场法

4．4．2 经典人工势场法的缺点

4．4．3 改进的人工势场法

4．4．4 仿真与分析

4．5 本章小结

5 模拟电力巡线试飞调试

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