電網系統(tǒng)作為我國社會經濟發(fā)展的支柱性產業(yè),為了保障其安全穩(wěn)定的運行,需要定期對高壓桿塔及其輸電線路做故障排查。傳統(tǒng)故障排查主要是由電力工人在現場通過攀爬桿塔或者使用望遠鏡觀察的方式實施,這種方式不僅效率低,而且還會對電力工人的人身安全造成威脅。因此相對于傳統(tǒng)方式,利用四旋翼無人機做巡檢可以很好的滿足安全性與效率的雙重要求,并且其具備的垂直起降和空中懸停特性,非常適合應用于電力巡檢場景。本文的研究目的是設計出一套應用于電力巡檢場景中的四旋翼無人機控制系統(tǒng),以此提升無人機巡檢的效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。為了掌握電力巡檢的行業(yè)背景及意義,首先闡述了其目前存在的突出問題,然后在對三種無人機各自特點進行介紹的同時,提出利用四旋翼無人機作為巡檢的解決方案。為了實際驗證本文設計的飛行控制系統(tǒng),搭建了電力巡檢四旋翼無人機的硬件平臺,包括動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)以及地面站指揮系統(tǒng),并對每個子系統(tǒng)進行了介紹和分析。對四旋翼無人機的4種運動物理過程做詳細介紹后,基于體坐標系與地坐標系之間的相互關系,通過牛頓-歐拉方程以及歐拉-拉格朗日方程對四旋翼無人機的平動和旋轉模型進行描述,并為其建立了動力學模型。在數學模型的基礎上,... 

【文章來源】：重慶理工大學重慶市

【文章頁數】：81 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

（a）德國“鵜鶘”無人機（b）加拿大“偵察兵”無人機

重慶理工大學碩士學位論文4這款無人機的的航速最高達到了50km/h，遙控距離達到3km左右，與其它同級別無人機相比，它能承受最大80km/h的大風，機身還安裝了晝夜照相機用以完成特殊任務[36]。此款無人機最引人注目的地方在于，它與地面站間的全部通信信息都是經過嚴格數字加密的，具有很強的防信息攔截和視頻竊取能力。（a）（b）圖1.1（a）德國“鵜鶘”無人機（b）加拿大“偵察兵”無人機在國內，國家電網旗下的機器人實驗室對電力巡檢應用場景下的無人機做了許多針對性很強的科學研究，其中主要包括了驗證無人機搭載相關檢測裝置對輸電線路和桿塔進行巡檢的可行性[37]。在實際的應用測試中，無人機可以安裝云臺照相機和紅外熱成像儀等裝置在地面操控手的控制下沿輸電線路飛行，其搭載的云臺照相機能夠拍攝高壓桿塔絕緣子等設備上的故障點，搭載的紅外熱成像儀可實現輸電線路上因故障導致的溫度異常點檢測。國家電網還和中飛艾維公司聯合研發(fā)了龍巢系統(tǒng)，如圖1.2所示。龍巢系統(tǒng)可以極大的減小電力巡檢的成本，并使巡檢效率得到顯著提升，為智能電網建設添磚加瓦[38-39]。目前，該系統(tǒng)能夠完成無人機巡檢數據采集、線路規(guī)劃、數據分析處理等任務，并且通過自主數據分析處理技術以及空間距離矢量數據獲取技術能夠實現自主航線設計，構建出了前端現場自主命令執(zhí)行、后端智能規(guī)劃和控制的自主作業(yè)模式。此外，在變電站或者輸電線路建設智能平臺，就能夠實現無人機狀態(tài)環(huán)境智能自判斷、自主能源獲娶自主充電等任務。圖1.2國家電網龍巢系統(tǒng)

2電力巡檢四旋翼無人機硬件平臺搭建72電力巡檢四旋翼無人機硬件平臺搭建本章將從動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、地面站指揮系統(tǒng)以及視覺系統(tǒng)這四個部分來搭建電力巡檢四旋翼無人機的硬件平臺。因為視覺系統(tǒng)由本團隊中其他成員負責研究，并且本文的研究重點是四旋翼無人機的飛控系統(tǒng)，因此，本章主要對動力系統(tǒng)、機載飛控系統(tǒng)、地面站指揮系統(tǒng)三部分進行闡述，目標為結合電力巡檢應用場景對四旋翼無人機的各種要求，對其硬件系統(tǒng)進行合理的模塊選型。2.1四旋翼無人機的結構四旋翼無人機的機架呈十字交叉狀，此結構能有效降低機身所受到來自電機轉動產生的震動影響，這種結構具有的諸多優(yōu)勢，使得它在電力巡檢場景中得到了廣泛的應用。4個獨立電機采取正反轉的組合方式，可以巧妙的抵消掉反扭力作用，避免無人機自轉，具體實施方法將在第三章詳述。如圖2.1為四旋翼無人機的組成單元。圖2.1四旋翼無人機的組成單元（1）機架：四旋翼無人機的機架通常呈“十”或“X”字對稱，機架是整個系統(tǒng)的硬件基礎，四旋翼無人機的實用性和安全性都與機架結構設計有著緊密關系。（2）動力系統(tǒng)：通常包括電機、槳葉、電調和電池。動力系統(tǒng)是影響四旋翼無人機性能優(yōu)劣的重要原因之一，例如載重能力、飛行里程、飛行高度和飛行速度等。（3）飛控系統(tǒng)：它可以看作是四旋翼無人機的心臟，負責控制全部外圍硬件的運行、連接地面站通信、檢測飛行狀況等核心工作，實現導航、控制、決策等功能。（4）視覺系統(tǒng)：通常包括攝像頭、GPS、熱傳感器等模塊，視覺系統(tǒng)在電力巡檢應用中發(fā)揮著重要作用，可實現高溫報警、輸電線斷裂監(jiān)測、絕緣子檢測等功能。（5）指揮控制系統(tǒng)：通常意義上，是由遙控器發(fā)送控制指令到機端的接收器，

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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[6]四旋翼無人機自抗擾飛行控制研究[D]. 王向磊.西南科技大學 2018
[7]基于自抗擾算法的四旋翼無人機抗風性能研究[D]. 史騰飛.華北電力大學 2017
[8]電力巡檢四旋翼無人機自主控制系統(tǒng)設計[D]. 趙輝.電子科技大學 2016
[9]基于多智能體系統(tǒng)的多機器人路徑規(guī)劃方法研究及應用[D]. 王維.電子科技大學 2015
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本文編號：3233576