四旋翼飛行器輸電線路巡檢系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-4"\h\u23553摘要 iii19231第1章緒論 -1-302281.1課題研究背景與意義 -1-315771.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 -2-122321.3論文主要研究內(nèi)容 -3-433第2章四旋翼無人機飛行原理及姿態(tài) -4-190792.1四旋翼無人機飛行原理 -4-204212.2“+”型和“X”型兩種飛行姿態(tài) -4-37072.2.1“+”型飛行姿態(tài)原理 -5-240562.2.2“X”型飛行姿態(tài)原理 -8-102012.3本章小結(jié) -10-20378第3章四旋翼無人機巡線系統(tǒng)硬件構(gòu)成 -11-319583.1四旋翼無人機硬件系統(tǒng)構(gòu)成 -11-106433.1.1四旋翼無人機主控芯片STM32F407 -11-246343.1.2SPI方式的傳感器 -13-141093.1.3慣性傳感器icm20602 -13-280623.1.4氣壓傳感器SPL06 -14-219023.1.5磁場傳感器AK8975 -15-11803.1.6拓展接口 -16-264383.2四旋翼無人機搭載的OpenMV攝像頭 -17-170173.3飛控連接電腦地面站 -18-284773.4四旋翼無人機GPS模式介紹 -19-56423.5本章小結(jié) -20-8644第4章四旋翼無人機飛行控制算法 -21-102184.1經(jīng)典PID控制算法 -21-280344.2模糊PID控制算法 -23-88854.2.1模糊控制 -23-144394.2.2模糊PID控制 -24-299264.3本章小結(jié) -32-11861第5章結(jié)論與展望 -32-15920參考文獻 -34-摘要安全穩(wěn)定的電力系統(tǒng)是我國快速發(fā)展制造業(yè)，提高科技水平的強力后備軍。我國架設(shè)的桿塔覆蓋面積廣，涉及的地域環(huán)境多樣復(fù)雜，輸電線路長時間暴露在惡劣的外界環(huán)境下，遭受復(fù)雜未知的天氣狀況，如雨、雪、霜等，都會一定程度地縮短線路的耐用年限，致使絕緣子閃絡(luò)放電，輸電導(dǎo)線斷股、桿塔部件損壞等事故發(fā)生，嚴(yán)重威脅了我國電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行。在此前提下，電力系統(tǒng)中顯得尤其主要的輸電線路平常巡檢任務(wù)被當(dāng)成了科學(xué)技術(shù)人員研究攻克的對象，就目前而言，我國電網(wǎng)仍采用以派遣專業(yè)電力人員前往實地，憑借人力完成線路巡檢任務(wù)為主體的巡線機制。但其自身的局限性不能很好地滿足互聯(lián)大電網(wǎng)的需求，僅憑人工完成巡線任務(wù)受外界因素制約較大，費時費力，而且不能很好地保障巡線員的自身安全，隨著科技不斷進步，新型的巡線方式也不斷被提出。本文以四旋翼無人機為研究對象，提出了用四旋翼無人機對輸電線路進行巡檢工作的方案。首先在實驗室觀摩了四旋翼飛行器實物，結(jié)合飛行器自帶的飛控說明書，對本系統(tǒng)所要研究的四旋翼飛行器硬件模型架構(gòu)有一定程度的了解；其次通過查閱中外文資料，研習(xí)了其基本飛行原理和經(jīng)典飛控模式，最后在軟件平臺完成了對四旋翼無人機飛控源碼的編寫，最終實現(xiàn)對四旋翼無人機的姿態(tài)導(dǎo)向控制，完成四旋翼無人機巡線任務(wù)。關(guān)鍵詞：四旋翼無人機；無人機巡線；姿態(tài)導(dǎo)向控制第1章緒論1.1課題研究背景與意義電力系統(tǒng)與人民生活幸福程度、提高現(xiàn)代科技水平、研發(fā)各領(lǐng)域高尖端產(chǎn)品、保障國家的安全穩(wěn)定息息相關(guān)，為此，我國加快電網(wǎng)全面跨越升級，推動能源互聯(lián)互通，近年來建設(shè)了以特高壓輸電線路為主要骨架的全國互聯(lián)大電網(wǎng)，在全國范圍內(nèi)桿塔架設(shè)涉及的地域面積更廣，面對的外界環(huán)境情況更為復(fù)雜，同時也對輸電線路提出了更高的要求，長期裸露在戶外的輸電線路和桿塔，每天經(jīng)受難以精準(zhǔn)預(yù)測的大氣環(huán)境和氣候變化挑戰(zhàn)，可能會發(fā)生絕緣子閃絡(luò)、線路金具損傷、雷擊跳線等電力故障；更有甚者，為了個人利益偷盜破壞，從而導(dǎo)致輸配電網(wǎng)發(fā)生癱瘓，面對這種情況，如果不能及時檢測到復(fù)雜多樣的故障，并進行排解和維護，那么將會嚴(yán)重威脅到國家電力系統(tǒng)和人民生活的安全與穩(wěn)定。定期完成輸電線路的巡檢任務(wù)是目前解決以上問題的最有效的方法。在我國，輸電線路巡檢主要分為人工巡檢和無人機巡檢。就當(dāng)下而言，人工巡檢的巡線方式更為普及，但隨著電網(wǎng)構(gòu)架的不斷升級，也使得人工巡檢模式的弊端被暴露地一覽無遺，用人力完成龐大的巡線任務(wù)，費時費力，且容易受到外界條件的制約，在一些危急時刻不能及時處理故障，也不能完全保證巡線工作人員的生命安全。面對此種情況，四旋翼飛行器的優(yōu)勢被淋漓盡致地體現(xiàn)出來，它能在復(fù)雜的地形地貌之間穿越自如，如偏遠山區(qū)、高海拔地區(qū)、無人區(qū)、自然保護區(qū)等不方便人力進出的地區(qū)，代替人力完成巡線工作，通過對定點（例如，架空線桿塔、金具、絕緣子片等）進行拍照錄影，達到故障檢測的目的，并實時傳回數(shù)據(jù)，由專業(yè)電工人員第一時間對故障進行分析，完成檢修，以保證此片區(qū)域的用電正常[1]。無人機巡檢可以補償人工巡線帶來的缺陷問題，這項巡線系統(tǒng)是以多方面、多領(lǐng)域的技術(shù)知識綜合起來，并結(jié)合其自身硬件融會貫通為基礎(chǔ)，利用GPS、通信、色塊識別、飛行控制等一系列目前比較成熟技術(shù)手段，最終成功實現(xiàn)其應(yīng)用功能[2]。例如，當(dāng)發(fā)生重大自然災(zāi)害時，無人機可以第一時間到達災(zāi)害故障點，排除線路故障，保障后續(xù)救援任務(wù)的及時推進，做災(zāi)后重建電塔、電線，在最短時間內(nèi)恢復(fù)供電的強力前行者，提高重災(zāi)搶險效率，并快速準(zhǔn)確地為受災(zāi)地區(qū)進行定損評估[3]。因此，四旋翼無人機巡線模式的普及是當(dāng)今國家電力系統(tǒng)完成日常巡線任務(wù)的必然趨勢，這一現(xiàn)象也符合用現(xiàn)代高尖端科技改善提高國家人民生活水平的宗旨，建設(shè)更穩(wěn)定更美好的國家。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外對于無人機巡線技術(shù)的研究均取得了一定的成果，有些已經(jīng)投入實際應(yīng)用當(dāng)中，并在與人的不斷磨合中造福當(dāng)今社會。下表列出了一部分目前國內(nèi)外對此項技術(shù)現(xiàn)狀：國外研究現(xiàn)狀日本關(guān)西電力公司與千葉大學(xué)展開合作，聯(lián)手研究開發(fā)了無人機輸電線路巡線系統(tǒng)，擁有故障自動檢測和三維圖像監(jiān)測功能讓這套系統(tǒng)在眾多研究成果中脫穎而出[4]。由CSIRO（CommonwealthScientificandIndustrialReasearchOrganisation）研發(fā)的能實現(xiàn)自動探測、自動避障功能的無人機，讓該組織在國外無人機巡線研究方面也稱得上是碩果累累。國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國電網(wǎng)于2009年成立了無人機巡檢專項項目，用6年時間在全國各地公司不斷試點并取得良好效果，于2015年基本實現(xiàn)以人巡為主，機巡為輔到機巡為主,人巡為輔的巡線模式轉(zhuǎn)變。大疆的經(jīng)緯M100系列無人機，不再使用傳統(tǒng)檢測技術(shù)（外搭攝像頭等技術(shù)），而是采用了更先進的熱成像技術(shù)搭載熱成像相機，以此準(zhǔn)確定位故障發(fā)生點。我們研究設(shè)計四旋翼無人機實現(xiàn)輸電線路巡檢系統(tǒng)的首要目的是，要從本源上解決目前電網(wǎng)中日常巡線工作效率低下經(jīng)濟利用價值不高等問題，那么如果要實現(xiàn)該系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，我們就需要四旋翼無人機GPS導(dǎo)航技術(shù)和四旋翼無人機懸停飛控姿態(tài)技術(shù)這兩項強大的技術(shù)支撐，作為理論基礎(chǔ)后盾，使得系統(tǒng)硬件部分能有力推進。讓四旋翼無人機在保證自身安全下，完成巡線任務(wù)，及時巡查到故障點。該項技術(shù)優(yōu)勢明顯，但同時帶來的缺陷也不容小覷，在外界復(fù)雜多變的天氣中，例如，常見的毛毛雨、冰霜、雷擊等惡劣天氣，這兩種技術(shù)作為該項技術(shù)強有力的理論支撐，仍然能保證巡檢數(shù)據(jù)的有效性。但是，該項技術(shù)尚且存在一些問題和不足，等待后續(xù)的研究去繼續(xù)完善，特別是無人機的續(xù)航問題，通常情況下，無人機體積小、輕便，不宜攜帶大容量電池，本身自帶的電池容量小，航行時間短，到運行后期，供電不足可能會導(dǎo)致收集到的數(shù)據(jù)失去準(zhǔn)確性，更嚴(yán)重則會發(fā)生無人機與操作人員斷聯(lián)的情況發(fā)生。為了提高電力日常巡檢工作與我國拓展大電網(wǎng)的適配度，改變目前的巡線模式，引入更為先進、更為現(xiàn)代化的巡線機制是我們所提倡的，用飛行器巡線逐步替代人力巡線是我們首要采用的解決方法，在已有基礎(chǔ)上，繼續(xù)完善和解決四旋翼飛行器生產(chǎn)成本、續(xù)航能力、巡線精度等方面的問題，是一項長期且艱巨的任務(wù)[5]。隨著未來智能化的普及，無人機巡線系統(tǒng)有良好的發(fā)展前景。無人機在電網(wǎng)中的應(yīng)用目前仍需要長期的深入研究，例如在無人機機型選擇、通信系統(tǒng)改良、導(dǎo)航設(shè)備升級、操控性能、精準(zhǔn)規(guī)劃航跡等方面還有很多工作需要做[6]。但通過對尚未解決的問題進行深入研究和實際試點，能提升該項技術(shù)在電力系統(tǒng)中的普及程度，有效提高日常巡線工作效率和安全可靠性，確保國家電力系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定的運行。1.3論文主要研究內(nèi)容本文主要研究四旋翼無人機輸電線路巡檢系統(tǒng)的設(shè)計，通過對四旋翼無人機的硬件構(gòu)造的分析，了解飛控系統(tǒng)硬件配置及其拓展接口、飛控基本傳感器、飛控參數(shù)配置、飛控連接接收機及相關(guān)電調(diào)和電機檢查等方面，再利用開發(fā)環(huán)境進行軟件方面的編寫，最終軟硬件搭配，實現(xiàn)四旋翼無人機穩(wěn)定飛行，完成對輸電線路的數(shù)據(jù)采集。本論文分為5章，每章涉及的主要內(nèi)容簡介如下：第一章是結(jié)合實際分析了四旋翼無人機輸電線路巡檢系統(tǒng)的研究背景及研究意義，以及目前在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀；第二章重點介紹了四旋翼飛行器的飛行原理、“+”型和“X”型兩種不同的飛行姿態(tài)。結(jié)合無人機結(jié)構(gòu)簡化圖分析四個電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向變化對無人機飛行姿態(tài)的影響。第三章系統(tǒng)地介紹了四旋翼無人機硬件系統(tǒng)構(gòu)成，OpenMV攝像頭、連接地面站以及GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。第四章分析了兩種控制算法經(jīng)典PID算法和模糊控制PID算法，并利用MATLAB軟件搭建simulink模塊仿真，得到兩種算法的仿真響應(yīng)曲線，由此分析結(jié)果和可行性。第五章是本文的結(jié)論與對該系統(tǒng)的未來展望，對每章節(jié)完成的工作進行復(fù)盤總結(jié)，并對四旋翼無人機輸電線路巡檢系統(tǒng)的未來發(fā)展提出新的展望。第2章四旋翼無人機飛行原理及姿態(tài)2.1四旋翼無人機飛行原理想要四旋翼無人機成功地完成起飛降落等基本操作，并順利地進行后續(xù)工作任務(wù)，不單單是讓機身四角的飛行旋翼轉(zhuǎn)動起來，就可以實現(xiàn)的。每個電機控制的轉(zhuǎn)速不同，每個不同位置上的飛行旋翼產(chǎn)生的力度也大不相同，則整個四旋翼無人機機體的受力情況也隨之發(fā)生改變，從而致使整個四旋翼無人機的運動形態(tài)發(fā)生變化。那么為了讓四旋翼無人機達到我們設(shè)定的預(yù)期功能，首先最為重要的一點，就是通過時時刻刻對電機調(diào)速器進行調(diào)節(jié)，使每個電機在Δt內(nèi)轉(zhuǎn)速發(fā)生微小改變，讓四旋翼無人機不斷達到一個動態(tài)平衡穩(wěn)定的情況，以此來實現(xiàn)對無人機姿態(tài)和運動的控制。通常而言，我們主要用“懸?！薄案┭觥薄皺M滾”“偏航”這四種來描述四旋翼無人機的飛行姿態(tài)。那么，接下來依次介紹一下這四種飛行姿態(tài)。2.2“+”型和“X”型兩種飛行姿態(tài)由于四旋翼無人機自身結(jié)構(gòu)存在特殊的對稱性，選取不同的機軸作為對稱軸，能得到不同的飛行姿態(tài)?！?”型飛行器，顧名思義就是選取兩個相對的旋翼電機分別作為機頭和機尾，且兩側(cè)各有一個電機；“X”型飛行器，則是選取兩個電機作為機頭，余下的兩個電機作為機尾。（a）“（a）“+”模式（b）“X”模式圖2-4兩種四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)2.2.1“+”型飛行姿態(tài)原理如圖2-4（a）所示即“+”型四旋翼無人機飛行姿態(tài)。垂直方向上的運動調(diào)節(jié)四個方向上的電機控制器，同時控制1、2、3、4四個電機的轉(zhuǎn)動，保證這四個飛行旋翼的轉(zhuǎn)速同時增大或者減小，此時，由旋翼轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的力對整個機身僅存在垂直方向上的影響，使四旋翼無人機在垂直方向上完成上升和下降的運動過程，如圖2-5所示。圖2-5圖2-5前后方向上的運動實現(xiàn)飛行器向前飛行：保持2、4電機轉(zhuǎn)速不變，電機1轉(zhuǎn)速調(diào)大（或者減小電機3的轉(zhuǎn)速），向前上方的合力作用于整個機身，如圖2-6（a）所示。實現(xiàn)飛行器往后飛行，2、4電機保持原始狀態(tài)，減小電機1的轉(zhuǎn)速（或者增大電機3的轉(zhuǎn)速），作用于整個機身的力方向呈現(xiàn)后上方，如圖2-6（b）所示。（a（a）（b）圖2-6左右方向上的運動如果控制四旋翼無人機左右飛行，實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運動，與前后方向運動控制不同，前后方向是改變X軸上兩個飛行旋翼的轉(zhuǎn)速，左右方向則改變Y軸上的兩個飛行旋翼轉(zhuǎn)速，在保持電機1、3轉(zhuǎn)速不變的前提下，使電機2的轉(zhuǎn)速變大（或使電機4的轉(zhuǎn)速變?。笊戏疆a(chǎn)生的合力則會帶動四旋翼無人機向左飛行，如同圖2-7（a）所示；同樣地，使電機2的轉(zhuǎn)速變?。ɑ蛘呤闺姍C4的轉(zhuǎn)速變大），右上方產(chǎn)生的合力則會帶動四旋翼無人機向右飛行，如同圖2-7（b）所示。（a（a）圖2-7（b）左右偏航運動通過改變飛行傾斜角來完成偏航運動，減小電機1、3的轉(zhuǎn)速（或者增加電機2、4的轉(zhuǎn)速），即可實現(xiàn)左偏航，此時四旋翼無人機向左旋轉(zhuǎn)，如圖2-8（a）所示。反之，增大電機1、3的轉(zhuǎn)速（或者減小電機2、4的轉(zhuǎn)速），即可實現(xiàn)右偏航，此時無人機向右旋轉(zhuǎn)，如圖2-8（b）所示。（a（a）（b）圖2-82.2.2“X”型飛行姿態(tài)原理如圖2-4（b）所示即“X”型四旋翼飛行器飛行姿態(tài)。1.垂直方向上的運動“X”型飛行姿態(tài)在垂直方向上的運動與“+”型飛行姿態(tài)是同樣的原理，都是同時增大（或者減?。╇姍C1、2、3、4的轉(zhuǎn)速，就可以實現(xiàn)，如圖2-9（a）所示。2.前后方向上的運動前向飛行：減小旋翼1、旋翼2產(chǎn)生的力，即減小電機1、2的轉(zhuǎn)速（或者增大旋翼3、旋翼4產(chǎn)生的力，即增大電機3、4的轉(zhuǎn)速）反之，即能實現(xiàn)飛行器后向運動。如圖2-9（b）所示。3.左右方向上的運動向左飛行：減小旋翼2、旋翼3產(chǎn)生的力，即減小電機2、3的轉(zhuǎn)速（或者增大旋翼1、旋翼4產(chǎn)生的力，即增大電機1、4的轉(zhuǎn)速）同樣，將以上操作反之應(yīng)用就能實現(xiàn)向右飛行。如圖2-9（c）所示。4.左右偏航運動向左偏航：減小旋翼1、旋翼3產(chǎn)生的力，即減小電機1、3的轉(zhuǎn)速（或者增大旋翼2、旋翼4產(chǎn)生的力，即增大電機2、4的轉(zhuǎn)速）右偏航操作只需反向操作即可如圖2-9（d）所示。圖2-9圖2-92.3本章小結(jié)本章詳細說明了四旋翼無人機的飛行原理，包括懸停、俯仰及橫滾、偏航運動的定義，然后詳細介紹了“+”型和“X”型兩種不同飛行姿態(tài)下的各種運動方式，包括垂直、仰俯、滾轉(zhuǎn)、偏航四個運動，由四電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向改變影響機身受力變化，實現(xiàn)運動的改變。第3章四旋翼無人機巡線系統(tǒng)硬件構(gòu)成3.1四旋翼無人機硬件系統(tǒng)構(gòu)成四旋翼無人機整體硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖3-1所示。圖3-1四旋翼無人機硬件結(jié)構(gòu)圖3.1.1四旋翼無人機主控芯片STM32F407本項目研究的四旋翼飛行器使用最常見，資料相當(dāng)豐富的STM32F407芯片作為主控芯片,該類型芯片目前主要用于需要在小封裝內(nèi)實現(xiàn)高集成度、性能更好、需要嵌入式存儲器以及外設(shè)的醫(yī)療、工業(yè)或者消費類產(chǎn)品，其工作頻率在168MHZ。具體的優(yōu)良性能、功效、連接功能如下表所示：性能在頻率為168MHz的前提下，F(xiàn)lash存儲器執(zhí)行時，該型號芯片能夠提供更優(yōu)良的性能。利用意法半導(dǎo)體的ART加速器能實現(xiàn)FLASH零等待狀態(tài)。DSP指令和浮點單元使產(chǎn)品的應(yīng)用范圍擴大。功效該系列產(chǎn)品采用意法半導(dǎo)體90nm工藝和ART加速器，具有動態(tài)功耗調(diào)整功能，實現(xiàn)低至238μA/MHz的電流消耗。這一功能，在運行模式下同樣適用。連接功能（具有出色的創(chuàng)新型外設(shè)）該系列產(chǎn)品具有符合IEEE1588v2標(biāo)準(zhǔn)要求的以太網(wǎng)MAC10/100。擁有能夠連接CMOS照相機傳感器的8~14位并行照相機接口。該強大的168MHZ主控芯片，能夠支持多種類型的二次開發(fā)，與此同時，在四旋翼無人機的飛控板上預(yù)留了多個拓展接口，比如串口，外接設(shè)備，GPS、超聲波、WIFI、樹莓派等等，帶來了卓越的運行速度，如圖3-2所示。圖3-2圖3-23.1.2SPI方式的傳感器本項目中飛控板上沒有使用常規(guī)的MPU6050等iic通信方式的傳感器，而是采用了全SPI方式的傳感器，因為通過對兩種不同通信方式的傳感器進行性能比較，可以發(fā)現(xiàn)iic總線速度只有400k的波特率，但SPI傳感器能達到的數(shù)據(jù)讀取波特率為10M/s，數(shù)據(jù)讀取波特率是前者的幾倍甚至幾十倍，波特率的大幅度提升，能極大程度上改善四旋翼無人機的飛行狀態(tài)，飛控性能有了質(zhì)的飛躍，從而帶給使用者更舒服的操作使用手感，節(jié)省大量時間，并且使得此飛控系統(tǒng)能負擔(dān)更復(fù)雜的算法，讓飛控愛好者能自主開發(fā)拓展更多功能，起到事半功倍的效果。3.1.3慣性傳感器icm20602在實際運用中，性能優(yōu)良的慣性傳感器主要作用是幫助無人機可以在飛行期間保持前進方向穩(wěn)定，可以實現(xiàn)用戶精確控制，甚至是實現(xiàn)無人機自主飛行。由于外界飛行條件等一些不可控因素發(fā)生急劇改變，讓無人機飛行系統(tǒng)變得復(fù)雜化時，一些性能不穩(wěn)定的慣性傳感器可能會產(chǎn)生誤差，反饋得到的每一個微小誤差數(shù)據(jù)，對飛控系統(tǒng)來說，都將成為“災(zāi)難現(xiàn)場”的導(dǎo)火索，在飛行方向把控上出現(xiàn)偏差，使得GPS出現(xiàn)位置偏差，嚴(yán)重情況下，將出現(xiàn)無人機在巡線過程中出現(xiàn)撞向輸電線路，無法躲避障礙物等對無人機造成損壞的情況發(fā)生。本系統(tǒng)飛控采用了型號為icm20602的慣性傳感器，如圖3-3所示。該慣性傳感器的整體性能明顯優(yōu)于之前使用的MPU6050，它自身設(shè)計帶有3軸陀螺+3軸加速器+恒溫系統(tǒng)，這種傳感器在改善傳感器噪音、零點漂移等方面有著自己的優(yōu)勢，因為慣性傳感器的優(yōu)良程度影響著四旋翼無人機的飛控性能，因此想要提升飛控的性能可以選擇性能更優(yōu)的慣性傳感器，并且icm20602型號的慣性傳感器自帶的恒溫系統(tǒng)，同時也能進一步減小陀螺儀、加速度計的溫度漂移。圖3-3圖3-33.1.4氣壓傳感器SPL06在眾多構(gòu)成四旋翼無人機硬件組成部分的元器件中，氣壓傳感器是不可或缺的器件之一。在無人機參與巡線任務(wù)中，難免會面臨復(fù)雜的地形地貌，前往高海拔地區(qū)完成對輸電線路日常巡檢工作的情況也會時有發(fā)生，我們知道氣壓的大小與海拔高度是呈反比例關(guān)系的，大氣壓會因為海拔高度的增加而降低，那么在此條件下，氣壓傳感器的功能在于通過氣壓高度的變化來呈現(xiàn)飛行高度的變化。本系統(tǒng)中采用了型號為SPL06的高性能氣壓計，如圖3-4所示，這是一種小型化、高精度、低電流消耗的數(shù)字氣壓傳感器。這種傳感器的優(yōu)點在于，外界溫度的變化不會對其精度產(chǎn)生較大的影響，即使遭受溫差大的情況，測量結(jié)果也不會有很大的誤差出現(xiàn)。與同類型的氣壓計進行比較，該氣壓計的氣壓精度以及靈敏度都更高，無人機飛控的氣壓定高效果也更好。不僅如此，體積小這一優(yōu)點，使其在一些移動設(shè)備和可穿戴設(shè)備等高尖端設(shè)備上成為首選材料。圖3-4圖3-43.1.5磁場傳感器AK8975本項目中采用的磁場傳感器是AK8975，這是一種帶有帶有集磁器的硅單片霍爾效應(yīng)磁傳感器，并且在硅芯片上實現(xiàn)了3軸磁力計，采用高靈敏度霍爾傳感器技術(shù)的三軸電子羅盤IC，如圖3-5所示。其模擬電路，數(shù)字邏輯，電源塊和接口塊也集成在一個芯片上。動態(tài)測量范圍更寬和分辨率更高。具有較低的電流消耗。該器件由片內(nèi)振蕩器工作，忽略外部時鐘源。具有自檢功能，可以檢查最終產(chǎn)品上的磁傳感器是否能夠正常運行。包含用于檢測X軸，Y軸和Z軸地面磁場的磁傳感器，通過對X、Y、Z三軸地磁強度的測量，我們可以計算出無人機的磁航角。圖3-5圖3-53.1.6拓展接口本次飛控系統(tǒng)中運用到的拓展接口如下表所示：8*PWMin8路硬件PWM輸入，用于接收無人機接收機信號。8*PWMout8路硬件PWM輸出，用于驅(qū)動無刷電機或者舵機等設(shè)備。5*串口最多可外接5個串口設(shè)備，同時，也可通過修改源碼，將串口IO初始化成不同功能，比如gpio、adc等，可以拓展更多設(shè)備。1*SWD用于下載程序，單步調(diào)試。1*USB提供一個USB接口，方便連接飛控進行調(diào)試和固件升級。4*拓展IO可任意使用，二次開發(fā)。圖3-6飛控系統(tǒng)拓展接口實物圖圖3-6飛控系統(tǒng)拓展接口實物圖3.2四旋翼無人機搭載的OpenMV攝像頭OpenMV是一個可開源、成本較低、但功能很強大的機器視覺模塊，OpenMV上的機器視覺算法包括有色源的尋找、人臉識別、邊緣檢測等，如圖3-7所示。這個模塊可以用來實現(xiàn)公共場合安全監(jiān)測、工廠內(nèi)部殘次品篩選、跟蹤固定的標(biāo)記物等，對于本次我們需要實現(xiàn)的輸電線路巡檢功能也完全適用。OpenMV攝像頭的成像原理是小孔模型，這是一種理想化的相機模型，既然被稱為“理想相機模型”，因此并沒有考慮一些實際生活中相機可能有的問題，比如相機的場曲、畸變等問題。在實際的輸電線路巡檢工作中，需要用到攝像頭搜集實時圖像并通過實時反饋得到的數(shù)據(jù)，判斷出輸電線路出現(xiàn)了哪些故障，由專業(yè)人員及時提出解決方案保證電力的穩(wěn)定運行，但由于輸電線自身的特殊性，有些輸電線路不僅細，還可能帶有難以分辨的色塊，那么在四旋翼無人機上搭載OpenMV攝像頭，可以一下子幫我們解決兩個方面的問題。用搭載攝像頭拍到的實時圖像作為四旋翼無人機導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助工具，通過識別到的輸電線路位置信息來提高無人機在飛行過程中的定位精度。用搭載攝像頭拍到的實時圖像來分析判斷輸電線出現(xiàn)了什么類型的故障，嚴(yán)重程度如何等。圖3-7OpenMV實物圖圖3-7OpenMV實物圖3.3飛控連接電腦地面站連接上位機，我們將使用底板上的USB口實現(xiàn)，上位機主界面如圖3-8所示。飛控和電腦的連接我們用USB線來實現(xiàn)，四旋翼無人機的飛控程序可以在免安裝驅(qū)動程序的前提下，將USB端口初始化成HID設(shè)備。具體連接操作1.打開匿名地面站2.打開程序設(shè)置界面3.選擇HID通信方式4.點擊HID設(shè)備的搜索按鈕5.如果連接正常，即可搜索到“匿名拓空者飛控”的設(shè)備6.選擇此設(shè)備，然后點擊打開連接即可7.觀察地面站主界面的RX計數(shù)器，開始增長表示連接成功地面站主要用來接收四旋翼無人機在巡線過程中的飛行速度、飛行高度、航向、經(jīng)緯度、坐標(biāo)等飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)參數(shù)，同時還可用來接收無人機電池電量等信息，地面站通過接收到的實時信息，及時對四旋翼無人機做出飛行計劃上的調(diào)整，使其在保證自身完整的前提下，安全按時完成巡線任務(wù)。圖3-8圖3-8上位機主界面3.4四旋翼無人機GPS模式介紹本項目中的四旋翼無人機飛控系統(tǒng)支持芯片型號為m80xx的GPS模塊，波特率為9600、38400、115200的GPS模塊可以使用。在本項目中，我們需要讓四旋翼無人機完成對輸電線路的巡檢任務(wù)，那么面對處于復(fù)雜地段的輸電桿塔，飛控系統(tǒng)的GPS模塊可以幫助我們實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，來獲取輸電線路及其已存在故障的位置信息。具體的GPS模式介紹如下表所示：飛控斷電情況下將GPS模塊連接于拓空者飛控的串口1，目前只使用GPS模塊的GPS信息，航向信息使用飛控自帶的磁羅盤，若您的GPS模塊配置有獨立的羅盤芯片，相關(guān)羅盤導(dǎo)線不接即可。當(dāng)GPS模塊正確連接至飛控后在空曠地，飛機放平上電，等待GPS模塊搜星定位上一步驟完成后，飛控?zé)艄忾W爍，即提示GPS模塊正常工作，接下來就可以進行GPS定點模式起飛。當(dāng)飛控處于鎖定狀態(tài)下進行GPS模塊定位狀態(tài)的判斷，等GPS搜星完成，定位正常后，解鎖起飛。3.5本章小結(jié)本章用四個小節(jié)詳細地介紹了四旋翼無人機巡線系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。在第一小節(jié)中，分析了四旋翼無人機自身系統(tǒng)硬件構(gòu)成模塊，其中包括四旋翼無人機主控芯片STM32F407、SPI方式的傳感器、慣性傳感器icm20602、氣壓傳感器SPL06、磁場傳感器AK8975以及擴展串口；在第二、三、四小節(jié)中分別介紹了無人機搭載的攝像頭、通信地面站、導(dǎo)航系統(tǒng)，深入了解每個模塊的基本功能和用途。第4章四旋翼無人機飛行控制算法隨著對四旋翼無人機及其應(yīng)用的研究飛速發(fā)展，這也讓四旋翼無人機在更多的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，除了提升四旋翼無人機精巧復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)外，對其控制中樞飛行控制算法的進一步優(yōu)化也是至關(guān)重要的。飛行控制算法對四旋翼無人機的意義，就像是人的大腦，思考并做出決定，它掌握著四旋翼無人機下一步該干什么，不該干什么，并選擇什么樣的方式去實現(xiàn)所需要完成的飛行動作。四旋翼無人機特點1.典型的多輸入多輸出2.非線性3.強耦合有六個自由度（沿空間直角坐標(biāo)系X、Y、Z軸3個方向的位移運動和繞3個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)運動）四個可控輸入（四個方向上的電機轉(zhuǎn)速）根據(jù)以上表中列出的四旋翼無人機具有的特點，讓四旋翼無人機的飛控算法迄今為止還有很多問題尚未得到解決，這也使得四旋翼無人機飛控系統(tǒng)設(shè)計依舊處于比較困難的階段。4.1經(jīng)典PID控制算法就目前而言，經(jīng)典PID控制算法在控制方面的運用是較為廣泛，較為成熟的一種算法，這種算法對控制領(lǐng)域影響深刻，隨著時代的推移，各類算法也不斷推陳出新，但在更迭的過程中，經(jīng)典PID算法憑借著結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)，魯棒性強的特點，抗住了時間的考驗，仍然在控制領(lǐng)域占有一席之地。在實際的傳輸過程和反饋過程中，能量和信息會受到外界環(huán)境的干擾，這就導(dǎo)致不能完全滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性，會有一些時間方面的延遲，千萬不要小看這一小段的滯后，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)變差，不穩(wěn)定的關(guān)鍵之處，往往就是這一小段容易被我們忽視的時間滯后上。因此，為了達到一個系統(tǒng)需要滿足的三要素原則快速性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，我們通常在實際系統(tǒng)設(shè)計中引入比例調(diào)節(jié)器、積分調(diào)節(jié)器和微分調(diào)節(jié)器，從而保證系統(tǒng)的快速性，控制精度以及消除慣性帶來的影響，使反饋系統(tǒng)的誤差減小經(jīng)典PID控制原理圖如圖4-1所示。圖4-1經(jīng)典PID控制原理圖由上圖可知，PID控制系統(tǒng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差：（4-1）由式4-1得到PID控制器的微分方程為：（4-2）其中，為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。取拉普拉斯變換：（4-3）整理后得到PID控制器的傳遞函數(shù)為：（4-4）其中，為積分系數(shù)，為微分系數(shù)。當(dāng)采樣周期T足夠小時，有（4-5）整理后得到：（4-6）其中，為積分系數(shù)，為微分系數(shù)。4.2模糊PID控制算法4.2.1模糊控制模糊控制（FuzzyControl）全稱為模糊邏輯控制（FuzzyLogicControl）,由美國的L.AZadeh首次提出，是一種基于模糊集合論、模糊語言變量、模糊邏輯推理的控制理論。這項從屬于智能控制范疇的計算機數(shù)學(xué)控制技術(shù)的誕生，對后世研究不明確系統(tǒng)的控制有極大的貢獻。從其理論的誕生發(fā)展至今，模糊控制的實際應(yīng)用已經(jīng)滲透到方方面面，與國民的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，這樣的長足進步讓模糊控制成為自動控制領(lǐng)域中冉冉之星。模糊控制的具體實際應(yīng)用如下表所示：家用電器設(shè)備洗衣機、微波爐、吸塵器、照相機工業(yè)控制方面水泥窯爐、水凈化過程、反應(yīng)釜溫度控制專用系統(tǒng)領(lǐng)域蒸汽引擎、電梯、地鐵靠站停車、機器人模糊控制系統(tǒng)一般由模糊化、知識庫、模糊推理、解模糊這四個部分組成。模糊控制的核心是模糊規(guī)則，改善一個模糊控制性能最有效的辦法是優(yōu)化模糊規(guī)則。模糊控制原理圖如圖4-2所示。圖4-2模糊控制原理圖4.2.2模糊PID控制為了讓四旋翼無人機的控制精度達到更高的要求，一般情況下，我們將采用模糊控制算法結(jié)合經(jīng)典PID控制算法，疊加兩種算法的控制效果，并將其稱為模糊PID控制（Fuzzy-PID復(fù)合控制）。在原有經(jīng)典PID控制的基礎(chǔ)上，用知識庫對模糊化后的輸入量進行模糊推理，再通過模糊矩陣規(guī)則表進行無人機飛行姿態(tài)參數(shù)調(diào)整，從而能實現(xiàn)對PID參數(shù)自整定的目的。當(dāng)外界環(huán)境條件對四旋翼無人機的飛行姿態(tài)產(chǎn)生較大干擾，即系統(tǒng)中存在較大偏差時，模糊控制發(fā)揮作用，響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好；當(dāng)外界環(huán)境條件對四旋翼無人機的飛行姿態(tài)干擾不大，即偏差較小時，經(jīng)典PID控制起主要控制作用，不僅實現(xiàn)了靜態(tài)性能好，還滿足飛控系統(tǒng)所需的控制精度。模糊PID控制是一種對單個模糊控制和單個經(jīng)典PID控制實現(xiàn)互補的過程。模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖如圖4-3所示。圖4-3模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖根據(jù)對四旋翼無人機飛行姿態(tài)控制的分析，該模糊控制器的輸入選定為誤差e及其誤差變化ec，而模糊控制輸出則選為KP、KI、KD。這樣，四旋翼無人機模糊PID控制器就被確定為一個雙輸入三輸出的控制器。使用MATLAB模糊推理系統(tǒng)編輯器設(shè)計仿真四旋翼無人機模糊控制器。建立模糊PID輸入輸出集構(gòu)建的模糊PID輸入輸出集如圖4-4所示。圖4-4模糊PID輸入輸出集建立各個模糊變量的隸屬關(guān)系。定義各個變量的論域和每支隸屬函數(shù)的范圍如圖4-5、4-6、4-7、4-8、4-9所示。圖4-5輸入e的隸屬度函數(shù)設(shè)定圖4-6輸入ec的隸屬度函數(shù)設(shè)定圖4-7輸出kp的隸屬度函數(shù)設(shè)定圖4-8輸出ki的隸屬度函數(shù)設(shè)定圖4-9輸出kd的隸屬度函數(shù)設(shè)定創(chuàng)建模糊控制規(guī)則表根據(jù)查閱資料和文獻，建立出的四旋翼無人機模糊控制器輸出變量Kp，Ki，Kd的模糊規(guī)則表，如表4-1、4-2、4-3所示。表4-1Kp對應(yīng)的模糊規(guī)則表表4-2Ki對應(yīng)的模糊規(guī)則表表4-3Kd對應(yīng)的模糊規(guī)則表按照以上表中的模糊規(guī)則，將規(guī)則用“if”、“then”的格式，一條一條依次輸入到MATLAB模糊控制器中，進行邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換，如圖4-10所示。通過調(diào)用曲面觀察器，所設(shè)計的模糊系統(tǒng)如圖4-11所示。圖4-10模糊推理規(guī)則圖圖4-11Kp、Ki、Kd模糊控制曲面圖模糊PID控制器仿真用MATLAB軟件的Simulink模塊搭建模糊PID控制器進行仿真，并分析實驗仿真結(jié)果。在仿真過程中，選取四旋翼無人機的傳遞函數(shù)為，建立模糊PID控制器仿真圖，如圖4-12所示。圖4-12模糊PID控制器仿真圖由上圖搭建的simulink仿真模塊可以看出，通過查閱文獻設(shè)置好相關(guān)參數(shù)：Kp=2，Ki=5，Kd=0.5，最終，我們可以仿真得到經(jīng)典PID算法和模糊控制PID算法輸出的兩種響應(yīng)曲線，如圖4-13所示。圖4-13兩種響應(yīng)曲線比較分析上圖，可以看出模糊控制PID算法得到的曲線上升時間快，超調(diào)量小，具有較強的抗干擾性和魯棒性，比經(jīng)典的PID控制有更好的動態(tài)響應(yīng)，既結(jié)合了經(jīng)典PID算法的優(yōu)點，在此基礎(chǔ)上，還對一些性能不好的方面有了很大的改善和提升?？偠灾：齈ID控制算法優(yōu)于經(jīng)典PID算法。4.3本章小結(jié)本章的主要目的系統(tǒng)分析經(jīng)典PID控制算法和模糊控制PID算法，并利用仿真得到的圖像清晰的比較兩種算法的優(yōu)劣性。首先對兩種算法分別進行了理論知識的分析，其次使用MATLAB搭建simulink仿真模塊得到兩種算法的響應(yīng)曲線，分析圖像，最終得到模糊控制PID算法優(yōu)于經(jīng)典PID控制算法的結(jié)論。第5章結(jié)論與展望四旋翼無人機對輸電線路進行巡檢是一項非常有前景的新技術(shù)，不管是對其硬件方面的改造提升，還是軟件算法方面的優(yōu)化，這項技術(shù)都極大程度上解決了我國互聯(lián)大電網(wǎng)巡檢任務(wù)中的困難，在確保電網(wǎng)安全性和可靠性的前提下，也降低了由巡線任務(wù)給電力人員帶來的健康風(fēng)險。本文圍繞四旋翼飛行器的控制進行分析和研究。本文的主要