基于引导线的电缆隧道巡检无人机轨迹跟踪控制与实现

摘要

电缆隧道已成为城市中电力线路铺设的主要方式，目前主流的人工巡检方式劳动强度大、危险性高，而在线监测系统和轨道巡检机器人对安装环境要求严格，运维成本高昂，由此衍生出的巡检无人机可适应多种地形，但由于电缆隧道内无GPS/北斗导航信号且SLAM方案计算量大等问题，目前电缆隧道巡检无人机主要是手控的方式，并没有实现真正意义上的自主巡检。因此，为了满足复杂条件下的电缆隧道巡检，本文提出了基于引导线的无人机电缆隧道巡检方案，该方案利用简单的图像处理即可获得无人机的理想轨迹。本文研究了电缆隧道场景下的图像优化方法，设计了引导线的扫描方案和循线策略，并利用李雅普诺夫函数设计自适应控制器和自适应更新率，并在MATLAB验证了控制器的可行性，最后在实际场景中利用四旋翼无人机平台验证了研究设计的合理性与有效性。课题主要完成了以下工作：　　①基于电缆隧道与无人机结构，设计了巡检系统的关键参数，搭建了四旋翼无人机巡检软硬件平台，并在实际电缆隧道内，提取了无人机在循线飞行过程中的关键帧。　　②为提取引导线，研究了最佳ROI区域提取方法，针对目标图像中光照不均匀的问题，采用同态滤波平衡了明暗区域，并对图像了进行颜色分割，最终获取了引导线的二值化图像。　　③针对二值化图像，设计了引导线扫描与中心线拟合方法，基于相机成像模型与无人机的姿态角，推导了引导线中心线相对于无人机的位置关系，设计了无人机循线策略。　　④针对循线无人机的运动学模型建立了数学模型，并对执行器饱和现象进行分析，设计了自适应循线控制器，并用李雅普诺夫函数证明了系统的稳定性，最后进行仿真验证。　　最后，在实际场景下进行了多次飞行实验，验证了文中提出的电缆隧道无人机引导线检测方法和自适应控制器是合理、可行与有效的。

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 我国输电网络现状及发展趋势

1.1.2 电缆隧道运维存在的问题

1.2 国内外研究现状

1.2.1 在线监测系统式

1.2.2 电缆隧道巡检机器人

1.2.3 电缆隧道巡检无人机

1.3.1 本文主要研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 本章小结

2 无人机平台搭建与图像预处理

2.1.1 硬件平台

2.1.2 软件平台

2.1.3 电缆隧道特征分析

2.2.1 图像采集与分析

2.2.2 ROI区域提取

2.2.3 不均匀光照预处理

2.2.4 颜色提取

2.2.5 形态学滤波

2.3 本章小结

3 引导线检测与循线策略

3.1.1 中心点检测

3.1.2 中心线拟合

3.2.1 无人机坐标系建立

3.2.2 坐标系转换

3.2.3 偏航参数计算

3.3 循线策略

3.4 本章小结

4 无人机自适应循线控制研究

4.1 引言

4.2 四旋翼无人机控制研究

4.2.1 四旋翼无人机底层控制研究

4.2.2 循线控制研究及模型建立

4.3.1 执行器饱和分析

4.3.2 控制器设计

4.4 仿真验证

4.5 本章小结

5 实验验证与结果分析

5.1 循线实验验证

5.2 本章小结

6 总结与展望

6.1 课题总结

6.2 不足与展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文和专利目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢