桥梁检测无人机避碰系统研究

摘要

桥梁检测无人机是一种专门用于检测桥体病害的无人飞行器，一般选用四旋翼飞行器作为桥梁检测无人机的飞行器载体。与一般传统的桥梁检测手段如使用登高车或望远镜相比，使用桥梁检测无人机进行病害检测可以做到低成本、高灵活性、高机动性的特点。而且相比高成本的登高车，桥梁检测无人机可以做到二次开发并且节约人力成本的目的。与传统的桥梁检测相比，桥梁检测无人机只需要操作者进行简单的飞行操作培训即可做到对桥梁检测无人机的简单操控，即使没有相关方面的从业经验也可以快速的掌握相关技能。 本文的主要工作针对桥梁检测无人机的避碰系统的建模、设计、控制算法、导航算法以及抗干扰控制器展开讨论，论文的主要工作如下： 1．避碰系统总体设计及避碰系统硬件电路设计。首先根据桥梁检测无人机的运动学特性进行了桥梁检测无人机避碰系统的总体设计，分析了需要设计的模块以及各模块之间的联系。然后根据设计的桥梁检测无人机总体模型，以STM32f407芯片为主控芯片，设计桥梁检测无人机的避碰系统。根据避碰系统的要求，使用MEMS陀螺、加速度计以及磁力计作为避碰系统的导航系统，选用超声波测距传感器和激光雷达作为避碰系统的避碰传感器。使用高精度和低精度的气压计互补作为桥梁检测无人机高度测量传感器。设计相关硬件电路，并做了大量系统软硬件调试工作，最终完成系统硬件设计。 2.桥梁检测无人机避碰系统控制算法设计。首先根据四旋翼的飞行器动力学模型建立了该飞行器的动力学模型，利用建立飞行器的姿态变换矩阵，利用姿态矩阵得到飞行器的运动模型。然后为桥梁检测无人机的避碰系统设计其工作的控制算法是本文的重要内容。其中包括桥梁检测无人机的定高算法、基于激光雷达的避碰算法、基于超声波的避碰算法、桥梁检测无人机的定距飞行算法。其中重点是桥梁检测无人机的避碰算法，这是整个避碰系统控制算法的核心，也是避碰系统正常工作的保障。本文使用激光雷达结合超声波控制的手段，提出了针对不同场合的避碰控制方法。然后是用于风干扰下的自抗扰控制器的设计。本文根据桥梁检测无人机在高空中受到各种风速模型干扰的需求提出了一种基于自抗扰控制的抗干扰控制器。本文对自抗扰系统进行了分析，并针对桥梁检测无人机在高空会受到的各种干扰，设计了基于误差控制的自抗扰控制器，并对控制器的性能做了仿真分析。 3.桥梁检测无人机导航算法设计。结合MEMS惯性器件介绍了扩展卡尔曼滤波算法，并根据加入状态观测器的原理介绍了自适应扩展卡尔曼滤波算法。结合实际的采样数据，对算法进行了仿真分析。设计了自适应梯度下降算法，提出了一种结合自适应梯度下降的扩展卡尔曼滤波算法，对实际数据进行了仿真分析，对实际嵌入式软件的设计提供了指导。最后介绍了使用高精度和低精度混合的气压计测量高度值算法，并对实际中的采样数据进行了仿真计算。 4.桥梁检测无人机避碰系统的实验数据分析和仿真结果。本文依据前文设计的避碰控制算法和导航算法，对桥梁检测无人机在正常飞行时的运动避碰性能做性能测试，对定高算法、避碰算法的性能做了分析论证。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2旋翼飞行器的国内外研究现状

1.3旋翼飞行器的关键技术

1.4论文的主要工作和内容安排

第2章 避碰系统总体设计及避碰系统硬件电路设计

2.1避碰系统总体设计

2.2避碰系统硬件连接关系

2.3避碰系统硬件电路

2.4本章小结

第3章 避碰系统控制算法设计

3.1动力学模型

3.2三级反馈PID定高算法

3.3激光雷达探测避碰算法

3.4超声波避碰算法

3.5定距飞行算法

3.6抗风系统算法

3.7本章小结

第4章 避碰系统导航算法设计

4.1基于四元数的EKF算法

4.2AEKF算法

4.3结合自适应梯度下降的自适应卡尔曼滤波算法

4.4高度值获取算法

4.5本章小结

第5章 避碰系统实验数据

5.1 3级反馈定高算法实验结果

5.2超声波避碰算法实验结果

5.3激光雷达避碰算法实验结果

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢