基于四旋翼无人机的工厂安全巡视系统设计

摘要

针对传统工厂安全巡检由人工执行而存在工作量大、巡视质量差、数据管理易出错等问题，本文基于DJIM100无人机开发平台设计了一种工厂安全巡视系统，实现无人机对工厂进行自主巡视，同时上位机对巡视数据进行管理。该系统对保障工厂正常生产、实现企业信息化管理具有现实意义。
　　首先，在工厂安全需求分析的基础上，从系统工作流程、系统硬件基础、机载控制软件、上位机软件四个方面入手，提出安全巡视系统的整体设计。
　　其次，设计了系统的机载控制软件。机载控制软件主要实现无人机的工厂自主巡航定位以及智能辅助巡航方法，自主巡航定位包括室外GPS导航定位和室内路径跟踪导航、视觉路标定位，智能辅助方法包括基于不完全人工势场法实现的自主避障和基于AprilTags检测、自适应PID控制实现的定点自主降落。
　　然后，设计了巡视系统的上位机软件。软件表示层实现人机交互，数据访问层实现数据存储读取，业务逻辑层实现视频异常检测与无人机地图定位;同时基于套接字TCP/IP实现上位机与下位机的数据通信。
　　最后，对巡视系统进行了整体测试。通过模拟工厂环境对本文的设计和系统功能进行实验测试，实验结果验证了系统的可行性和有效性，达到了课题的研究目标。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 安防巡逻机器人研究现状

1．2．2 安防巡逻机器人导航与定位研究现状

1．2．3 安防巡逻机器人常用控制方法研究现状

1．3 论文研究内容及重难点

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究重难点

1．4 论文的组织架构

第二章 安全巡视系统总体设计

2．1 需求分析

2．2 巡视系统总体设计

2．3 巡视系统工作流程总体设计

2．4 巡视系统硬件总体设计

2．4．1 无人机飞行器选择

2．4．2 相机及云台选择

2．4．3 视觉超声模块选择

2．4．4 机载计算机选择

2．5 机载控制软件设计

2．5．1 机载控制软件总体架构设计

2．5．2 无人机底层动作控制设计

2．5．3 Guidance底层控制介绍

2．6 上位机软件设计

2．7 本章小结

第三章 无人机的自主巡航设计

3．1 室外无人机GPS导航定位设计

3．2 室内无人机路径跟踪导航设计

3．2．1 路径跟踪导航软硬件基础介绍

3．2．2 标识线导航原理及实现方法

3．2．3 模糊逻辑算法无人机飞行控制的设计

3．3 本章小结

第四章 无人机的辅助巡航方法设计

4．1 无人机自主避障的设计

4．1．1 障碍物距离数据的预处理

4．1．2 避障所用的深度图预处理

4．1．3 无人机自主避障算法的设计

4．2 无人机精确自主降落的设计

4．2．1 AprilTags简介

4．2．2 AprilTags相对相机位姿信息的获取

4．2．3 自主降落中的增量式自适应PID控制

4．3 无人机室内定位的设计

4．4 本章小结

第五章 安全巡视系统上位机软件设计

5．1 系统上位机总体设计

5．2 上位机用户界面设计

5．2．1 上位机软件主界面设计

5．2．2 菜单栏及附属界面设计

5．3 安全巡视数据库设计

5．3．1 数据库创建和访问

5．3．2 数据库uav设计

5．4 业务逻辑层主要功能实现

5．4．1 视频异常检测设计

5．4．2 地图定位显示设计

5．5 Socket网络通信设计

5．5．1 上位机向下位机的TCP套接字通信

5．5．2 下位机向上位机的UDP套接字通信

5．6 本章小结

第六章 安全巡视系统实验

6．1 系统工作及上下位机通信实验

6．2 无人机巡航实验

6．2．1 无人机GPS导航及避障实验

6．2．2 无人机路径跟踪导航及定位实验

6．2．3 无人机精确自主降落实验

6．3 本章小结

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

硕士期间发表论文