巡检无人机硬件控制系统的设计与实现

作     者：陈海生 

作者单位：南京信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王伟

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 

主      题：巡检无人机 硬件系统 飞行控制系统 模型参考滑模控制 鲁棒性 

摘      要：随着我国输电网络规模的不断扩大,线路运维巡检工作量大、效率低等难题日益突出。通过无人机来进行输电线路巡检,可以减轻电网工作人员的巡检压力。本文以实现无人机的全自主巡检为主要目的,以设计巡检无人机核心部分的硬件系统及飞行控制器为研究内容,主要工作如下:针对输电线路巡检实际需求,结合巡检无人机对于尺寸、起飞重量、续航时间等要求,确定巡检无人机系统的机型结构并完成动力系统选型,设计硬件系统的总体方案和飞行控制系统的控制环串级结构。根据硬件系统的总体方案,采用模块化设计思想进行巡检无人机的硬件系统设计。先对硬件系统中各功能模块的关键芯片进行分析选型,并通过Altium Designer软件设计电路原理图,再进行硬件集成板的布局与布线,设计完成后对样板进行制作和表面贴装。根据飞行控制系统的控制环串级结构,依次对姿态控制器、速度控制器、位置控制器进行设计。考虑到各控制环模型特征的差异及对控制性能要求的不同,分别选用PID算法、反步法、模型参考滑模控制算法进行控制器设计,并通过软件仿真调试验证飞行控制器的性能。最后,对所设计的巡检无人机硬件系统和飞行控制器进行测试,通过手动飞行与自主巡检飞行来验证硬件系统的可靠性及飞行控制器的性能。通过分析飞行测试及自主巡检数据,验证了所设计的硬件控制系统性能的可靠性以及控制器的目标追踪性能与鲁棒性,满足巡检无人机要求。所获得的结果符合本文设计预期。