面向线路巡检的无人旋翼机导航及控制

作     者：陈智勇 

作者单位：武汉科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王斌

授予年度：2017年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 080203[工学-机械设计及理论] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：无人旋翼机 线路巡检 导航制导 图像检测 

摘      要：无人旋翼机具有低成本、高灵活性、高安全性的优势,使得电力巡检成为无人旋翼机的一个重要的应用领域。而目前巡检路径规划方法需要统筹各个巡检目标点,手动输入到无人旋翼机导航控制系统,耗时长且容易出错,给无人旋翼机巡检任务带来很大隐患。利用图像处理检测跟踪高压线路以自动生成巡检轨迹,不仅增强了无人机巡检的自主性,更加提高了巡检效率和安全性。因此,研究基于图像处理的全自动无人旋翼机巡检高压线路系统具有重大意义。首先,本文分析了无人旋翼机的基本工作原理、机械结构和控制原理,用旋转矩阵表征了无人旋翼机的运动,推导了飞行控制刚体模型,分析了多级级联PID控制器对无人旋翼机运动状态的控制过程。其次,无人旋翼机的稳定性是该巡检高压输电线路系统实现的关键。因此,本文在以下方面做了改进优化:针对常用的无人旋翼机大循环加中断的构架提出改进方案,采用Linux赞助的开源无人机PX4项目构架,文中分析了该架构的组成部分以及各部分工作原理;分别使用互补滤波算法和扩展卡尔曼算法解算无人机运动状态,并对比其实验结果;针对无人旋翼机的适应性和鲁棒性要求,设计了基于反步法的自适应滑动模态控制器,并利用Simulink搭建了控制模型,仿真实验结果表明该控制器提升了无人旋翼机的鲁棒性和适应能力。最后,针对高压线路的检测设计了一种改进的RANSAC高压线路检测算法,实现了高压线路的准确识别;同时为了跟踪高压输电线路,在目标轨迹中选取一点使得参考点距离无人旋翼机L线长,并推导制导率,仿真实验表明该无人旋翼机实际轨迹基本与期望轨迹重合,最终实现基于线路图像检测的无人旋翼机导航及控制。