电力巡检四旋翼无人机自主控制系统设计

摘要

电力巡检对国家电力系统的安全运行至关重要，但传统人工电力巡检不能达到巡检安全性和效率性的要求，所以电力巡检亟需更好的方法。相比人工电力巡检，无人机巡检方式能很好地满足这些要求，其中因为多旋翼无人机的原地起飞降落和空中定点悬停特性而得到最广泛的应用。本文的目的是针对电力巡检中的四旋翼无人机研制出一套自主飞行控制系统，包括底层控制算法的研究和上层自主飞行策略的研究，提高无人机在电力巡检中的自主性和效率。
　　为了对研究背景有全面的了解，首先介绍了电力巡检的意义以及遇到的问题，提出无人机是解决这些问题的有效途径，并阐述了三类无人机的区别与各自的优缺点。为了能对本文研究的自主飞控系统进行实验验证，分动力系统、机载飞控系统和地面遥控系统三个部分为四旋翼无人机设计了硬件平台，并详细解释了航姿参考系统和电机电调的基本工作原理。
　　基于四旋翼的惯性坐标系和机体坐标系以及它们之间的关系矩阵，分别以拉格朗日力学方法和牛顿力学方法为四旋翼建立了数学模型。在拉格朗日型数学模型的基础上，通过增加两个虚拟控制量的方式将四旋翼的数学模型解耦成位置子系统和姿态子系统两部分，将欠驱动模型转化为全驱动模型进行研究。结合电力巡检中四旋翼的实际飞行模式作出两个必要的假设，在这两个假设的基础上达到简化其姿态子系统的目的，最后为简化的姿态子系统和位置子系统设计了相应的PID控制算法，其中姿态子系统采用了双回路串级控制的模式，提高了控制系统的动态性能。
　　为了让四旋翼达到自主飞行控制的目的，本文从四旋翼飞行模式、飞行控制策略设计、航迹规划、定点悬停控制与自主避障、飞行安全策略等方面展开了研究和设计，对每个功能模块都画出了工作流程图。最后将设计的自主控制系统搭载在本文设计的四旋翼硬件平台上，通过分析四旋翼的实际飞行数据验证了这套自主控制系统具有一定的稳定性和可靠性，能够用于电力巡检工作。

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第一章 绪论

1.1研究背景和研究意义

1.2 三类无人机的区别与优缺点

1.3 四旋翼发展历史与国内外研究现状

1.4 本文研究内容以及结构安排

第二章 电力巡检四旋翼硬件平台搭建

2.1 电力巡检四旋翼与普通四旋翼硬件平台的差别

2.2 动力系统

2.3 机载飞控系统

2.4 地面遥控系统

2.5 相机消抖云台与图传系统

2.6 四旋翼硬件平台总装

2.7 本章小节

第三章 四旋翼无人机的数学建模

3.1 预备知识

3.2 四旋翼飞机的飞行原理

3.3 坐标系的建立

3.4 建立四旋翼数学模型

3.5 本章小结

第四章 四旋翼自动控制系统的底层控制算法

4.1 PID控制算法

4.2 基于PID的四旋翼底层控制器设计

4.3 数据解析

4.4 控制算法仿真

4.5 本章小结

第五章 四旋翼自主控制系统设计

5.1 自主控制系统总体架构设计

5.2 电力巡检四旋翼飞行模式的研究

5.3 自主飞行控制系统

5.4 定点悬停控制和自主避障系统

5.5 飞行安全策略系统

5.6 本章小结

第六章 电力巡检四旋翼自主控制系统测试验证

6.1 四旋翼自主控制测试验证

6.2 定点悬停和自主避障测试

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果