四旋翼飛行器輸電線路巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 -2-122321.3論文主要研究?jī)?nèi)容 -3-433第2章四旋翼無人機(jī)飛行原理及姿態(tài) -4-190792.1四旋翼無人機(jī)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(jī)巡線系統(tǒng)硬件構(gòu)成 -11-319583.1四旋翼無人機(jī)硬件系統(tǒng)構(gòu)成 -11-106433.1.1四旋翼無人機(jī)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(chǎng)傳感器AK8975 -15-11803.1.6拓展接口 -16-264383.2四旋翼無人機(jī)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(jī)GPS模式介紹 -19-56423.5本章小結(jié) -20-8644第4章四旋翼無人機(jī)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(xiàn) -34-摘要安全穩(wěn)定的電力系統(tǒng)是我國(guó)快速發(fā)展制造業(yè)，提高科技水平的強(qiáng)力后備軍。我國(guó)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(zhǎng)時(shí)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(huì)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(guó)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)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(duì)象，就目前而言，我國(guó)電網(wǎng)仍采用以派遣專業(yè)電力人員前往實(shí)地，憑借人力完成線路巡檢任務(wù)為主體的巡線機(jī)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(fèi)時(shí)費(fèi)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(jìn)步，新型的巡線方式也不斷被提出。本文以四旋翼無人機(jī)為研究對(duì)象，提出了用四旋翼無人機(jī)對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢工作的方案。首先在實(shí)驗(yàn)室觀摩了四旋翼飛行器實(shí)物，結(jié)合飛行器自帶的飛控說明書，對(duì)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(tái)完成了對(duì)四旋翼無人機(jī)飛控源碼的編寫，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)導(dǎo)向控制，完成四旋翼無人機(jī)巡線任務(wù)。關(guān)鍵詞：四旋翼無人機(jī)；無人機(jī)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(guó)家的安全穩(wěn)定息息相關(guān)，為此，我國(guó)加快電網(wǎng)全面跨越升級(jí)，推動(dòng)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(guó)互聯(lián)大電網(wǎng)，在全國(guó)范圍內(nèi)桿塔架設(shè)涉及的地域面積更廣，面對(duì)的外界環(huán)境情況更為復(fù)雜，同時(shí)也對(duì)輸電線路提出了更高的要求，長(zhǎng)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(cè)的大氣環(huán)境和氣候變化挑戰(zhàn)，可能會(huì)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(gè)人利益偷盜破壞，從而導(dǎo)致輸配電網(wǎng)發(fā)生癱瘓，面對(duì)這種情況，如果不能及時(shí)檢測(cè)到復(fù)雜多樣的故障，并進(jìn)行排解和維護(hù)，那么將會(huì)嚴(yán)重威脅到國(guó)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(guó)，輸電線路巡檢主要分為人工巡檢和無人機(jī)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(jí)，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(fèi)時(shí)費(fèi)力，且容易受到外界條件的制約，在一些危急時(shí)刻不能及時(shí)處理故障，也不能完全保證巡線工作人員的生命安全。面對(duì)此種情況，四旋翼飛行器的優(yōu)勢(shì)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(yuǎn)山區(qū)、高海拔地區(qū)、無人區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等不方便人力進(jìn)出的地區(qū)，代替人力完成巡線工作，通過對(duì)定點(diǎn)（例如，架空線桿塔、金具、絕緣子片等）進(jìn)行拍照錄影，達(dá)到故障檢測(cè)的目的，并實(shí)時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)，由專業(yè)電工人員第一時(shí)間對(duì)故障進(jìn)行分析，完成檢修，以保證此片區(qū)域的用電正常[1]。無人機(jī)巡檢可以補(bǔ)償人工巡線帶來的缺陷問題，這項(xiàng)巡線系統(tǒng)是以多方面、多領(lǐng)域的技術(shù)知識(shí)綜合起來，并結(jié)合其自身硬件融會(huì)貫通為基礎(chǔ)，利用GPS、通信、色塊識(shí)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(shí)現(xiàn)其應(yīng)用功能[2]。例如，當(dāng)發(fā)生重大自然災(zāi)害時(shí)，無人機(jī)可以第一時(shí)間到達(dá)災(zāi)害故障點(diǎn)，排除線路故障，保障后續(xù)救援任務(wù)的及時(shí)推進(jìn)，做災(zāi)后重建電塔、電線，在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)供電的強(qiáng)力前行者，提高重災(zāi)搶險(xiǎn)效率，并快速準(zhǔn)確地為受災(zāi)地區(qū)進(jìn)行定損評(píng)估[3]。因此，四旋翼無人機(jī)巡線模式的普及是當(dāng)今國(guó)家電力系統(tǒng)完成日常巡線任務(wù)的必然趨勢(shì)，這一現(xiàn)象也符合用現(xiàn)代高尖端科技改善提高國(guó)家人民生活水平的宗旨，建設(shè)更穩(wěn)定更美好的國(guó)家。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于無人機(jī)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(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，并在與人的不斷磨合中造福當(dāng)今社會(huì)。下表列出了一部分目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)狀：國(guó)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(jī)輸電線路巡線系統(tǒng)，擁有故障自動(dòng)檢測(cè)和三維圖像監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)探測(cè)、自動(dòng)避障功能的無人機(jī)，讓該組織在國(guó)外無人機(jī)巡線研究方面也稱得上是碩果累累。國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)電網(wǎng)于2009年成立了無人機(jī)巡檢專項(xiàng)項(xiàng)目，用6年時(shí)間在全國(guó)各地公司不斷試點(diǎn)并取得良好效果，于2015年基本實(shí)現(xiàn)以人巡為主，機(jī)巡為輔到機(jī)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(jī)，不再使用傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)（外搭攝像頭等技術(shù)），而是采用了更先進(jìn)的熱成像技術(shù)搭載熱成像相機(jī)，以此準(zhǔn)確定位故障發(fā)生點(diǎn)。我們研究設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)實(shí)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(jì)利用價(jià)值不高等問題，那么如果要實(shí)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(jī)GPS導(dǎo)航技術(shù)和四旋翼無人機(jī)懸停飛控姿態(tài)技術(shù)這兩項(xiàng)強(qiáng)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(jìn)。讓四旋翼無人機(jī)在保證自身安全下，完成巡線任務(wù)，及時(shí)巡查到故障點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但同時(shí)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(xiàng)技術(shù)強(qiáng)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(xiàng)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(jī)的續(xù)航問題，通常情況下，無人機(jī)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(shí)間短，到運(yùn)行后期，供電不足可能會(huì)導(dǎo)致收集到的數(shù)據(jù)失去準(zhǔn)確性，更嚴(yán)重則會(huì)發(fā)生無人機(jī)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(guó)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(jìn)、更為現(xiàn)代化的巡線機(jī)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(xiàng)長(zhǎng)期且艱巨的任務(wù)[5]。隨著未來智能化的普及，無人機(jī)巡線系統(tǒng)有良好的發(fā)展前景。無人機(jī)在電網(wǎng)中的應(yīng)用目前仍需要長(zhǎng)期的深入研究，例如在無人機(jī)機(jī)型選擇、通信系統(tǒng)改良、導(dǎo)航設(shè)備升級(jí)、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(duì)尚未解決的問題進(jìn)行深入研究和實(shí)際試點(diǎn)，能提升該項(xiàng)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(guó)家電力系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定的運(yùn)行。1.3論文主要研究?jī)?nèi)容本文主要研究四旋翼無人機(jī)輸電線路巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過對(duì)四旋翼無人機(jī)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(jī)及相關(guān)電調(diào)和電機(jī)檢查等方面，再利用開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件方面的編寫，最終軟硬件搭配，實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)穩(wěn)定飛行，完成對(duì)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(jiǎn)介如下：第一章是結(jié)合實(shí)際分析了四旋翼無人機(jī)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(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀；第二章重點(diǎn)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(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖分析四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向變化對(duì)無人機(jī)飛行姿態(tài)的影響。第三章系統(tǒng)地介紹了四旋翼無人機(jī)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(duì)該系統(tǒng)的未來展望，對(duì)每章節(jié)完成的工作進(jìn)行復(fù)盤總結(jié)，并對(duì)四旋翼無人機(jī)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(jī)飛行原理及姿態(tài)2.1四旋翼無人機(jī)飛行原理想要四旋翼無人機(jī)成功地完成起飛降落等基本操作，并順利地進(jìn)行后續(xù)工作任務(wù)，不單單是讓機(jī)身四角的飛行旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)起來，就可以實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)電機(jī)控制的轉(zhuǎn)速不同，每個(gè)不同位置上的飛行旋翼產(chǎn)生的力度也大不相同，則整個(gè)四旋翼無人機(jī)機(jī)體的受力情況也隨之發(fā)生改變，從而致使整個(gè)四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)發(fā)生變化。那么為了讓四旋翼無人機(jī)達(dá)到我們?cè)O(shè)定的預(yù)期功能，首先最為重要的一點(diǎn)，就是通過時(shí)時(shí)刻刻對(duì)電機(jī)調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使每個(gè)電機(jī)在Δt內(nèi)轉(zhuǎn)速發(fā)生微小改變，讓四旋翼無人機(jī)不斷達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡穩(wěn)定的情況，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)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(jī)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(jī)自身結(jié)構(gòu)存在特殊的對(duì)稱性，選取不同的機(jī)軸作為對(duì)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(gè)相對(duì)的旋翼電機(jī)分別作為機(jī)頭和機(jī)尾，且兩側(cè)各有一個(gè)電機(jī)；“X”型飛行器，則是選取兩個(gè)電機(jī)作為機(jī)頭，余下的兩個(gè)電機(jī)作為機(jī)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(jī)飛行姿態(tài)。垂直方向上的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)四個(gè)方向上的電機(jī)控制器，同時(shí)控制1、2、3、4四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，保證這四個(gè)飛行旋翼的轉(zhuǎn)速同時(shí)增大或者減小，此時(shí)，由旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的力對(duì)整個(gè)機(jī)身僅存在垂直方向上的影響，使四旋翼無人機(jī)在垂直方向上完成上升和下降的運(yùn)動(dòng)過程，如圖2-5所示。圖2-5圖2-5前后方向上的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)飛行器向前飛行：保持2、4電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，電機(jī)1轉(zhuǎn)速調(diào)大（或者減小電機(jī)3的轉(zhuǎn)速），向前上方的合力作用于整個(gè)機(jī)身，如圖2-6（a）所示。實(shí)現(xiàn)飛行器往后飛行，2、4電機(jī)保持原始狀態(tài)，減小電機(jī)1的轉(zhuǎn)速（或者增大電機(jī)3的轉(zhuǎn)速），作用于整個(gè)機(jī)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(yùn)動(dòng)如果控制四旋翼無人機(jī)左右飛行，實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與前后方向運(yùn)動(dòng)控制不同，前后方向是改變X軸上兩個(gè)飛行旋翼的轉(zhuǎn)速，左右方向則改變Y軸上的兩個(gè)飛行旋翼轉(zhuǎn)速，在保持電機(jī)1、3轉(zhuǎn)速不變的前提下，使電機(jī)2的轉(zhuǎn)速變大（或使電機(jī)4的轉(zhuǎn)速變?。?，左上方產(chǎn)生的合力則會(huì)帶動(dòng)四旋翼無人機(jī)向左飛行，如同圖2-7（a）所示；同樣地，使電機(jī)2的轉(zhuǎn)速變?。ɑ蛘呤闺姍C(jī)4的轉(zhuǎn)速變大），右上方產(chǎn)生的合力則會(huì)帶動(dòng)四旋翼無人機(jī)向右飛行，如同圖2-7（b）所示。（a（a）圖2-7（b）左右偏航運(yùn)動(dòng)通過改變飛行傾斜角來完成偏航運(yùn)動(dòng)，減小電機(jī)1、3的轉(zhuǎn)速（或者增加電機(jī)2、4的轉(zhuǎn)速），即可實(shí)現(xiàn)左偏航，此時(shí)四旋翼無人機(jī)向左旋轉(zhuǎn)，如圖2-8（a）所示。反之，增大電機(jī)1、3的轉(zhuǎn)速（或者減小電機(jī)2、4的轉(zhuǎn)速），即可實(shí)現(xiàn)右偏航，此時(shí)無人機(jī)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(yùn)動(dòng)“X”型飛行姿態(tài)在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)與“+”型飛行姿態(tài)是同樣的原理，都是同時(shí)增大（或者減?。╇姍C(jī)1、2、3、4的轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)，如圖2-9（a）所示。2.前后方向上的運(yùn)動(dòng)前向飛行：減小旋翼1、旋翼2產(chǎn)生的力，即減小電機(jī)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(jī)3、4的轉(zhuǎn)速）反之，即能實(shí)現(xiàn)飛行器后向運(yùn)動(dòng)。如圖2-9（b）所示。3.左右方向上的運(yùn)動(dòng)向左飛行：減小旋翼2、旋翼3產(chǎn)生的力，即減小電機(jī)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(jī)1、4的轉(zhuǎn)速）同樣，將以上操作反之應(yīng)用就能實(shí)現(xiàn)向右飛行。如圖2-9（c）所示。4.左右偏航運(yùn)動(dòng)向左偏航：減小旋翼1、旋翼3產(chǎn)生的力，即減小電機(jī)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(jī)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(xì)說明了四旋翼無人機(jī)的飛行原理，包括懸停、俯仰及橫滾、偏航運(yùn)動(dòng)的定義，然后詳細(xì)介紹了“+”型和“X”型兩種不同飛行姿態(tài)下的各種運(yùn)動(dòng)方式，包括垂直、仰俯、滾轉(zhuǎn)、偏航四個(gè)運(yùn)動(dòng)，由四電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向改變影響機(jī)身受力變化，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的改變。第3章四旋翼無人機(jī)巡線系統(tǒng)硬件構(gòu)成3.1四旋翼無人機(jī)硬件系統(tǒng)構(gòu)成四旋翼無人機(jī)整體硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖3-1所示。圖3-1四旋翼無人機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖3.1.1四旋翼無人機(jī)主控芯片STM32F407本項(xiàng)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(shí)現(xiàn)高集成度、性能更好、需要嵌入式存儲(chǔ)器以及外設(shè)的醫(yī)療、工業(yè)或者消費(fèi)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(chǔ)器執(zhí)行時(shí)，該型號(hào)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(shí)現(xiàn)FLASH零等待狀態(tài)。DSP指令和浮點(diǎn)單元使產(chǎn)品的應(yīng)用范圍擴(kuò)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(dòng)態(tài)功耗調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)低至238μA/MHz的電流消耗。這一功能，在運(yùn)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(jī)傳感器的8~14位并行照相機(jī)接口。該強(qiáng)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(shí)，在四旋翼無人機(jī)的飛控板上預(yù)留了多個(gè)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(yùn)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(xiàng)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?yàn)橥ㄟ^對(duì)兩種不同通信方式的傳感器進(jìn)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(dá)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(jī)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(shí)間，并且使得此飛控系統(tǒng)能負(fù)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(shí)際運(yùn)用中，性能優(yōu)良的慣性傳感器主要作用是幫助無人機(jī)可以在飛行期間保持前進(jìn)方向穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)用戶精確控制，甚至是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)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(jī)飛行系統(tǒng)變得復(fù)雜化時(shí)，一些性能不穩(wěn)定的慣性傳感器可能會(huì)產(chǎn)生誤差，反饋得到的每一個(gè)微小誤差數(shù)據(jù)，對(duì)飛控系統(tǒng)來說，都將成為“災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)”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(jī)在巡線過程中出現(xiàn)撞向輸電線路，無法躲避障礙物等對(duì)無人機(jī)造成損壞的情況發(fā)生。本系統(tǒng)飛控采用了型號(hào)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(jì)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(diǎn)漂移等方面有著自己的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閼T性傳感器的優(yōu)良程度影響著四旋翼無人機(jī)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(hào)的慣性傳感器自帶的恒溫系統(tǒng)，同時(shí)也能進(jìn)一步減小陀螺儀、加速度計(jì)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(jī)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(jī)參與巡線任務(wù)中，難免會(huì)面臨復(fù)雜的地形地貌，前往高海拔地區(qū)完成對(duì)輸電線路日常巡檢工作的情況也會(huì)時(shí)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(huì)因?yàn)楹０胃叨鹊脑黾佣档停敲丛诖藯l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(hào)為SPL06的高性能氣壓計(jì)，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(diǎn)在于，外界溫度的變化不會(huì)對(duì)其精度產(chǎn)生較大的影響，即使遭受溫差大的情況，測(cè)量結(jié)果也不會(huì)有很大的誤差出現(xiàn)。與同類型的氣壓計(jì)進(jìn)行比較，該氣壓計(jì)的氣壓精度以及靈敏度都更高，無人機(jī)飛控的氣壓定高效果也更好。不僅如此，體積小這一優(yōu)點(diǎn)，使其在一些移動(dòng)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(chǎng)傳感器AK8975本項(xiàng)目中采用的磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了3軸磁力計(jì)，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(gè)芯片上。動(dòng)態(tài)測(cè)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(shí)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(yùn)行。包含用于檢測(cè)X軸，Y軸和Z軸地面磁場(chǎng)的磁傳感器，通過對(duì)X、Y、Z三軸地磁強(qiáng)度的測(cè)量，我們可以計(jì)算出無人機(jī)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(yùn)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(jī)接收機(jī)信號(hào)。8*PWMout8路硬件PWM輸出，用于驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)或者舵機(jī)等設(shè)備。5*串口最多可外接5個(gè)串口設(shè)備，同時(shí)，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(gè)USB接口，方便連接飛控進(jìn)行調(diào)試和固件升級(jí)。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(shí)物圖圖3-6飛控系統(tǒng)拓展接口實(shí)物圖3.2四旋翼無人機(jī)搭載的OpenMV攝像頭OpenMV是一個(gè)可開源、成本較低、但功能很強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊，OpenMV上的機(jī)器視覺算法包括有色源的尋找、人臉識(shí)別、邊緣檢測(cè)等，如圖3-7所示。這個(gè)模塊可以用來實(shí)現(xiàn)公共場(chǎng)合安全監(jiān)測(cè)、工廠內(nèi)部殘次品篩選、跟蹤固定的標(biāo)記物等，對(duì)于本次我們需要實(shí)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(jī)模型，既然被稱為“理想相機(jī)模型”，因此并沒有考慮一些實(shí)際生活中相機(jī)可能有的問題，比如相機(jī)的場(chǎng)曲、畸變等問題。在實(shí)際的輸電線路巡檢工作中，需要用到攝像頭搜集實(shí)時(shí)圖像并通過實(shí)時(shí)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(shí)提出解決方案保證電力的穩(wěn)定運(yùn)行，但由于輸電線自身的特殊性，有些輸電線路不僅細(xì)，還可能帶有難以分辨的色塊，那么在四旋翼無人機(jī)上搭載OpenMV攝像頭，可以一下子幫我們解決兩個(gè)方面的問題。用搭載攝像頭拍到的實(shí)時(shí)圖像作為四旋翼無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助工具，通過識(shí)別到的輸電線路位置信息來提高無人機(jī)在飛行過程中的定位精度。用搭載攝像頭拍到的實(shí)時(shí)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(shí)物圖圖3-7OpenMV實(shí)物圖3.3飛控連接電腦地面站連接上位機(jī)，我們將使用底板上的USB口實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)主界面如圖3-8所示。飛控和電腦的連接我們用USB線來實(shí)現(xiàn)，四旋翼無人機(jī)的飛控程序可以在免安裝驅(qū)動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)擊打開連接即可7.觀察地面站主界面的RX計(jì)數(shù)器，開始增長(zhǎng)表示連接成功地面站主要用來接收四旋翼無人機(jī)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(shí)還可用來接收無人機(jī)電池電量等信息，地面站通過接收到的實(shí)時(shí)信息，及時(shí)對(duì)四旋翼無人機(jī)做出飛行計(jì)劃上的調(diào)整，使其在保證自身完整的前提下，安全按時(shí)完成巡線任務(wù)。圖3-8圖3-8上位機(jī)主界面3.4四旋翼無人機(jī)GPS模式介紹本項(xiàng)目中的四旋翼無人機(jī)飛控系統(tǒng)支持芯片型號(hào)為m80xx的GPS模塊，波特率為9600、38400、115200的GPS模塊可以使用。在本項(xiàng)目中，我們需要讓四旋翼無人機(jī)完成對(duì)輸電線路的巡檢任務(wù)，那么面對(duì)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(shí)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?cái)嚯娗闆r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(dú)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(jī)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(jìn)行GPS定點(diǎn)模式起飛。當(dāng)飛控處于鎖定狀態(tài)下進(jìn)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(gè)小節(jié)詳細(xì)地介紹了四旋翼無人機(jī)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(jī)自身系統(tǒng)硬件構(gòu)成模塊，其中包括四旋翼無人機(jī)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(chǎng)傳感器AK8975以及擴(kuò)展串口；在第二、三、四小節(jié)中分別介紹了無人機(jī)搭載的攝像頭、通信地面站、導(dǎo)航系統(tǒng)，深入了解每個(gè)模塊的基本功能和用途。第4章四旋翼無人機(jī)飛行控制算法隨著對(duì)四旋翼無人機(jī)及其應(yīng)用的研究飛速發(fā)展，這也讓四旋翼無人機(jī)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(jī)精巧復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)外，對(duì)其控制中樞飛行控制算法的進(jìn)一步優(yōu)化也是至關(guān)重要的。飛行控制算法對(duì)四旋翼無人機(jī)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(jī)下一步該干什么，不該干什么，并選擇什么樣的方式去實(shí)現(xiàn)所需要完成的飛行動(dòng)作。四旋翼無人機(jī)特點(diǎn)1.典型的多輸入多輸出2.非線性3.強(qiáng)耦合有六個(gè)自由度（沿空間直角坐標(biāo)系X、Y、Z軸3個(gè)方向的位移運(yùn)動(dòng)和繞3個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）四個(gè)可控輸入（四個(gè)方向上的電機(jī)轉(zhuǎn)速）根據(jù)以上表中列出的四旋翼無人機(jī)具有的特點(diǎn)，讓四旋翼無人機(jī)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(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)用是較為廣泛，較為成熟的一種算法，這種算法對(duì)控制領(lǐng)域影響深刻，隨著時(shí)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(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，抗住了時(shí)間的考驗(yàn)，仍然在控制領(lǐng)域占有一席之地。在實(shí)際的傳輸過程和反饋過程中，能量和信息會(huì)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(shí)性，會(huì)有一些時(shí)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(shí)間滯后上。因此，為了達(dá)到一個(gè)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(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)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(shí)，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(guó)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(xiàng)從屬于智能控制范疇的計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)控制技術(shù)的誕生，對(duì)后世研究不明確系統(tǒng)的控制有極大的貢獻(xiàn)。從其理論的誕生發(fā)展至今，模糊控制的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)滲透到方方面面，與國(guó)民的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，這樣的長(zhǎng)足進(jìn)步讓模糊控制成為自動(dòng)控制領(lǐng)域中冉冉之星。模糊控制的具體實(shí)際應(yīng)用如下表所示：家用電器設(shè)備洗衣機(jī)、微波爐、吸塵器、照相機(jī)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(jī)器人模糊控制系統(tǒng)一般由模糊化、知識(shí)庫(kù)、模糊推理、解模糊這四個(gè)部分組成。模糊控制的核心是模糊規(guī)則，改善一個(gè)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(jī)的控制精度達(dá)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(shí)庫(kù)對(duì)模糊化后的輸入量進(jìn)行模糊推理，再通過模糊矩陣規(guī)則表進(jìn)行無人機(jī)飛行姿態(tài)參數(shù)調(diào)整，從而能實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)自整定的目的。當(dāng)外界環(huán)境條件對(duì)四旋翼無人機(jī)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(shí)，模糊控制發(fā)揮作用，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好；當(dāng)外界環(huán)境條件對(duì)四旋翼無人機(jī)的飛行姿態(tài)干擾不大，即偏差較小時(shí)，經(jīng)典PID控制起主要控制作用，不僅實(shí)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(duì)單個(gè)模糊控制和單個(gè)經(jīng)典PID控制實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)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(duì)四旋翼無人機(jī)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(jī)模糊PID控制器就被確定為一個(gè)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(jì)仿真四旋翼無人機(jī)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(gè)模糊變量的隸屬關(guān)系。定義各個(gè)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(xiàn)，建立出的四旋翼無人機(jī)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(duì)應(yīng)的模糊規(guī)則表表4-2Ki對(duì)應(yīng)的模糊規(guī)則表表4-3Kd對(duì)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(jìn)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(jì)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(jìn)行仿真，并分析實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果。在仿真過程中，選取四旋翼無人機(jī)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(xiàn)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(shí)間快，超調(diào)量小，具有較強(qiáng)的抗干擾性和魯棒性，比經(jīng)典的PID控制有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，既結(jié)合了經(jīng)典PID算法的優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，還對(duì)一些性能不好的方面有了很大的改善和提升?？偠灾?，模糊PID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(duì)兩種算法分別進(jìn)行了理論知識(shí)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(jī)對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢是一項(xiàng)非常有前景的新技術(shù)，不管是對(duì)其硬件方面的改造提升，還是軟件算法方面的優(yōu)化，這項(xiàng)技術(shù)都極大程度上解決了我國(guó)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(xiǎn)。本文圍繞四旋翼飛行器的控制進(jìn)行分析和研究。本文的主要