【四旋翼无人机在电力巡检中的应用分析案例3300字】

四旋翼无人机在电力巡检中的应用分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u14339四旋翼无人机在电力巡检中的应用分析案例 138941.1四旋翼无人机电力巡检流程 1306041.2电力巡检四旋翼飞行模式研究 2121411.3飞行轨迹跟踪仿真 3四旋翼无人机电力巡检流程四旋翼无人机在电力巡检工作中有着很大的应用优势，它能通过搭载在机身上的摄像机对输电线路进行全方位拍摄检查，通过信号传输系统实时传送巡检画面到地面指挥站，操作人员能够实时监控，及时发现线路异常并进行检修。目前四旋翼无人机的巡检方式主要有三种，分别是通过雷达检测、红外线检测以及拍摄视频检测，以下主要介绍了通过拍摄视频进行检测的四旋翼无人机巡检方式。四旋翼无人机电力巡检控制系统组成如图4-1所示。图4-1四旋翼无人机电力巡检控制系统组成四旋翼无人机电力巡检控制系统主要包括飞行控制系统、定位信息控制系统和数据系统三部分。在执行巡检任务时，定位信息系统为飞行控制系统提供位置信息，以方便飞控系统做出飞行规划；四旋翼无人机到达巡检位置后，数据系统收集巡检目标的信息并进行分析。其中，数据系统由设备供电模块、云台及控制模块、地面通信模块以及图像采集模块组成。当四旋翼无人机拍摄到巡检目标图像后，图像采集模块对目标图像进行信息提取处理，然后地面通信模块将采集的数据信息传输到监控单元进行分析处理，设备供电模块为其他模块提供动力，云台及控制模块对采集信息的摄像机进行拍摄角度控制，保证拍摄出清晰准确的照片。三个系统共同协作完成巡检任务。四旋翼无人机在电力巡检中执行巡检任务时，飞行控制系统主要是通过姿态解算模块、数据分析处理模块、姿态控制器模块和位置控制器模块等几部分协同处理完成巡检任务。比如，巡检人员使用遥控器对无人机发送飞行姿态调整指令，在无人机接收到指令后，四旋翼无人机通过陀螺仪、加速度计和磁力计的数据进行姿态解算，读取四旋翼无人机当前姿态数据，然后由姿态解算模块分析处理数据，并将其与从遥控器获得的期望数据作对比分析，根据分析出来的数据调整无人机姿态；位置信息则通过对气压计、加速度计和GPS的数据进行卡尔曼滤波获取当前位置数据，并将之与期望位置进行对比分析，进行飞行位置调整。四旋翼无人机通过姿态调整和位置调整共同完成巡检飞行控制。四旋翼无人机电力巡检飞行控制流程如图4-2所示。图4-2四旋翼无人机电力巡检飞行控制流程图电力巡检四旋翼飞行模式研究电力巡检工作中，四旋翼无人机在面临不同巡检工作时，需要使用不同的飞行姿态来完成巡检任务。所以根据不同的飞行任务为四旋翼无人机设计了不同的飞行模式：稳定模式、悬停模式、绕圈模式、简单模式、定高模式、返航模式以及自动模式。稳定模式：稳定模式一般应用于轨迹跟踪任务中，是四旋翼无人机最基本的一种模式。稳定模式的主要作用是在四旋翼无人机起飞和降落的时候保持其姿态稳定。简单模式：四旋翼无人机处于简单模式的时候，不需要使用偏航角来控制无人机的飞行姿态，只用俯仰角和横滚角来控制无人机的飞行，让其进行前后左右运动。在四旋翼无人机做飞行控制测试的时候常使用简单模式。悬停模式：当四旋翼无人机4个旋翼产生的总升力与无人机自身重力相同的时候，四旋翼无人机会处于悬停状态。悬停模式的原理与悬停状态相同，通过无人机控制系统不断修正外界干扰，使四旋翼无人机始终保持于一点。悬停模式对电力巡检工作非常重要，因为四旋翼无人机在对电力设备巡检时，悬停拍摄是巡检工作中的重要环节，只有无人机处于悬停状态时，拍摄的照片才能更清晰，便于分析电力设备真实状况。定高模式：定高模式是保证四旋翼无人机在飞行过程中保持在一个高度飞行，可以完成前后左右飞行动作。若是要改变飞行高度，可以通过增大或减小油门来控制。由于油门不能为0，所以飞行高度不会为0。绕圈模式：四旋翼无人机在对塔杆这样的电力设备进行巡检工作时，需要使用绕圈模式。因为绕圈模式是让四旋翼无人机绕着某一点进行绕圈飞行，飞行轨迹是一个圆，并且无人机的机头要朝着圆心，而圆心就是无人机绕着的那一个点。当然了，圆心是可以改变的，飞行半径以及飞行高度都可以改变，飞行高度依旧用油门控制。在绕圈模式下，遥控器会失去对偏航角的控制，只需要控制横滚角和俯仰角完成飞行。返航模式：返航模式是让四旋翼无人机放下正在执行的任务，立即以一个高度返回最初记录的位置并保持悬停状态。而最初记录的位置指的是四旋翼无人机在刚开始开机启动时记录下的位置。自动模式：自动模式是指提前制定好巡检飞行计划，然后将这份计划输入控制系统，控制系统按照计划好的飞行任务按顺序依次完成飞行任务。自动模式有着很高的智能性，是最高级的飞行模式。飞行轨迹跟踪仿真在上文介绍的7种飞行模式中，自动模式的自主性和智能性最高，是一种高级飞行模式，而现在应用于电力巡检中的四旋翼无人机大多还需要巡检人员使用遥控器操控完成，无人机的自主性和智能性都相对较弱。因此，本节将利用PID控制和四旋翼无人机的动力学模型来建立四旋翼无人机的轨迹跟踪仿真模型。建立四旋翼无人机的数学模型主要依靠机体坐标系和地理坐标系之间的转换关系，本文在第二章已经建立了无人机坐标系和动力学模型。根据四旋翼无人机4个电机转矩控制输入量、、、来控制其位置和姿态角6个输出量。4个电机转矩控制输入量可表示为（4-1）其中，是无人机反扭矩系数，是无人机升力系数，4个电机的转速分别为、、、。四旋翼无人机数学建模过程在飞行时会受到外界干扰，为了便于研究，需假设四旋翼无人机受到的外界干扰的变化是缓慢的，系统的干扰是有界的，干扰与扰动观测结果之间的差值也是有界的。忽略空气阻力，建立如下动力学模型：（4-2）其中，电机在机体坐标系轴上产生的转动惯量分别为、、，是机体中心到电机旋转中心的距离，为四旋翼无人机的质量，为重力加速度，外部干扰为。从式（4-2）可以得到、、、四个控制量中，控制四旋翼无人机的空间跟踪位置；控制四旋翼无人机跟踪横滚角；控制四旋翼无人机跟踪俯仰角；控制四旋翼无人机跟踪偏航角。四旋翼无人机轨迹跟踪控制框图如图4-3所示。图4-3四旋翼无人机轨迹跟踪控制框图在MATLAB的Simulink中挑选模块，根据串级PID控制搭建了四旋翼无人机的仿真模型，图4-4是轨迹跟踪仿真模型，图4-5则是控制器模块。图4-4轨迹跟踪仿真模型图4-5控制器子模块在本次四旋翼控制轨迹跟踪仿真中，是通过输入期望位置来观察无人机的姿态控制效果和最终的跟踪控制效果，并且为了更加贴近实际情况，在仿真中还加入了干扰模块，通过对比无干扰和有干扰两种情况下的仿真结果来进一步验证串级PID的控制效果。运行仿真模型后，轨迹跟踪效果如图4-6所示，偏航角控制结果如图4-7所示，俯仰角控制结果如图4-8所示，横滚角控制结果如4-9所示，X轴跟踪效果如图4-10所示，Y轴跟踪效果如图4-11所示，Z轴跟踪效果如图4-12所示。图4-6轨迹跟踪结果图图4-7偏航角控制结果图图4-8俯仰角控制结果图图4-9横滚角控制结果图四旋翼无人机的姿态控制图中是有干扰和无干扰的对比图，从图中可以看出，偏航角和俯仰角在10s左右的时间里都受到了干扰的作用，横滚角没有明显变化，说明相较于偏航角和俯仰角而言，横滚角的抗干扰能力更强。从最终结果来看，三个姿态角都能快速稳定的跟踪上期望控制曲线，证明了串级控制下的四旋翼无人机拥有较好的控制能力，能满足控制要求。图4-10X轴跟踪效果图图4-11Y轴跟踪效果图图4-12Z轴跟踪效果图图4-10、4-11和4-12分别表示的是四旋翼无人机在进行轨迹跟踪时的XYZ轴位置的跟踪效果图，图中是将有干扰和无干扰下的控制效果图放在一起进行了分析。由最终呈现出来的结果来看，Z轴全程都跟踪上了目标轨迹，相较于X、Y轴都有偏离目标轨迹的时刻，显然Z轴的控制效果更好。但XYZ三个位置的仿真结果都跟上了目标轨迹，所以满足控制要求。图4-13PID轨迹跟踪误差分析图图4-14干扰下PID轨迹跟踪误差分析图图4-13是PID控制的轨迹跟踪与目标轨迹之间的误差分析图，图4-14是加入干扰之后的PID控制的轨迹跟