面向输电线路的空中机器人应急巡检研究

面对应急通信下的电力巡检难题,提出了一种基于5G无线网络的空中机器人应急巡检方法。首先,阐述了空中机器人在5G无线网络下的工作原理,将应急巡检分为轨迹规划和轨迹跟踪控制。接着,利用改进的萤火虫算法来实现空中机器最优轨迹规划,保证应急巡检的快速性。同时,将空中机器人动力学模型分为位置与姿态两个子系统,引入基于RBF神经网络的自适应控制策略来设计抗干扰轨迹跟踪控制器。最后,通过应急电力巡检仿真算例对这里所提方法的有效性进行了验证。仿真结果表明:(1)改进的萤火虫算法能帮助空中机器人快速规划出一条可飞航迹;(2)所设计的控制器比线性自抗扰控制器具有更好的轨迹跟踪控制性能;(3)所提方法能保证电力巡检空中机器人在5G无线网络框架下对故障区域做出快速有效的应急响应,具有一定的工程参考价值。

悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法

针对输电线路附近的树障进行清理问题,本文提出了一种新型的悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人并进行了仿真和实物验证.首先,对悬挂伸缩刀具的空中机器人进行了伸缩刀具重心变化下的动力学、运动学建模及接触建模.其次,为避免空中机器人接触作业时机器人倾翻的问题,设计了力估计器用于力感知和导纳控制器用于力控制.针对空中机器人非线性强耦合、伸缩刀具时参数摄动及作业时扰动的问题,设计了线性自抗扰控制(LADRC)的机器人位姿控制器.再次,数值仿真验证了导纳控制能有效避免空中机器人接触作业时产生倾翻的问题,以及基于LADRC控制器的位姿控制具有良好的稳定性和抗扰性.最后,通过实物飞行和接触作业测试,进一步验证了本文悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人及其控制方法的有效性.

输电线路异物清除空中机器人飞行控制技术研究

针对人工清理输电线路上的异物效率低且存在较大风险的问题,本文提出了一种用于输电线路清理的空中机器人,该空中机器人通过悬挂作业工具实现线路异物清理。本文针对输电线路异物清理空中机器人建立了其携带负载时的运动学和动力学模型;针对空中机器人携带负载后带来的重心变化、接触作业时的接触力与参数摄动等问题,研究了线性自抗扰控制方法。对空中机器人进行了仿真实验,验证了本文提出的空中机器人的可行性和线性自抗扰控制方法在空中机器人上具有较好的控制效果和抗干扰能力。

基于AVR单片机的空中机器人伺服系统

针对无人空中机器人伺服系统,论文给出了利用AVRATmega162单片机和Intel8254芯片实现多路脉宽调制(PWM)控制信号的采样和输出,并控制Futaba伺服电机的一种方法。通过采样一路PWM信号实现了自控与手控的软件无扰动切换,利用RS232串口实现飞控计算机对伺服电机的控制。经过在自行设计的空中机器人系统中的实际使用,取得了良好的效果。

旋翼空中机器人系统架构及设计

设计并验证了某型旋翼空中机器人的系统架构。整个空中机器人系统由直升机和地面站两部分组成。直升机是空中机器人的主体,可以自主飞行并完成指定任务。地面站用于监控无人直升机的飞行,并实现人机交互等多项功能。此外,地面站还可通过视觉导航系统引导直升机的自主着陆。直升机与地面站之间通过指令数字链路和视频模拟链路进行信息交互和实时通讯。经实际飞行验证,该空中机器人系统具有鲁棒和实时的特点,能实现直升机自主飞行和自主起降功能。

结合视觉里程计的微小型空中机器人SLAM研究

经典的基于"平滑摄像机模型"的单目视觉同步定位与地图构建方法无法适用于具有复杂飞行模式的微小型空中机器人。针对这个问题,提出一种结合视觉里程计的单目视觉同步定位与地图构建方法。该方法通过视觉里程计直接估计机器人机载摄像机相对位姿变化,并将这些位姿信息嵌入基于EKF的单目视觉同步定位与地图构建算法中。同时,在采用视觉里程计进行位姿估计时,针对可能出现的退化问题,采用特征分类的策略,提高了估计的鲁棒性。将方法应用于一套真实的微小型智能无人直升机系统上,实验数据验证了方法具有良好的适用性和实用性。

线性光隔PS8741在空中机器人电压监测中的应用

针对某型空中机器人机载电源监测电压存在的温度漂移现象,提出3种温度补偿方案:加入负温度系数热敏电阻、普通光隔线性化、直接采用线性光隔,最终选用高精度线性光隔PS8741;详细给出了PS8741的工作原理及典型应用电路,并对电路进行高低温试验;为便于数据处理,开发了基于MATLAB的图形用户界面(GUI);实验结果表明,利用PS8741测得电压线性度好,抗干扰性强,可有效抑制监测电压随温度漂移,为空中机器人的准确、安全飞行提供有利保障。

空中机器人系统及关键技术

结合空中机器人的用途,介绍了近二十年来空中机器人的发展,并对国外先进院校的空中机器人系统进行了分析,最后,对空中机器人的关键技术作了总结,并对空中机器人未来发展方向进行了探讨。

基于同调理论的多空中机器人WSN大规模覆盖空洞修复方法

无线传感器网络自身修复机制不足以完成大规模覆盖空洞的修复任务,需要借助具有中继节点部署能力的空中机器人辅助实现.为了提高多空中机器人中继节点部署效率,从WSN最优中继节点位置求解的消息开销和分布均匀性角度出发,提出一种基于同调理论的多空中机器人WSN大规模覆盖空洞修复方法.以大规模覆盖空洞为部署环境,在同调理论的基础上,结合Halton序列,以依次递增的方式,产生一组部署位置均匀的候选中继节点;在所给出的单纯复形度及其索引值定义基础上,结合Cech复形相关性质,剔除冗余候选中继节点,最优中继节点候选部署位置.在最优中继节点部署位置基础上,以最小化多机器人总消耗为目标,构建中继节点最优位置部署模型,实现WSN大规模覆盖空洞修复.仿真实验结果表明,给出的方法能够在提高多空中机器人中继节点部署效率的同时,有效地降低网络的消息开销.

空中机器人飞行平台设计与分析

空中机器人指能够实现自主或者半自主飞行的无人飞行器,一般还具有一定的自主执行任务能力。自主特性减少了其对地面站的依赖,但同时要求飞行平台有良好的操纵性和稳定性,飞行高效、安全、可靠。本文介绍了空中机器人的种类、实用价值和使用要求,并为此设计了一款飞行平台,论述了该飞行平台总体设计与分析的方法。以此为基础搭建的“哨兵”无人机系统,在2005“枭龙杯”中国空中机器人中大赛表现不凡,获得固定翼5公斤级亚军、飞行器系统设计一等奖的优异成绩。本文的计算结果在无人机系统试飞和比赛中都得到了验证。

空中机器人多模态控制研究

研究空中机器人(小型无人直升机)的约束优化控制问题。对小型无人直升机的非线性系统模型进行系统约简,建立混合系统的分段仿射系统模型,针对该问题求解中遇到的在线计算量大,不利于实时控制等问题,提出利用多参数二次规划离线计算出混合系统最优控制律的方法。基于多参数二次规划的方法,在最大可控不变集的可行域内进行显式优化控制器设计,通过反向动态规划,求出对应每一步的优化解,从而求得不变集作为可行域的优化解。通过实际参数的系统仿真,证明了方法的有效性。

基于BP神经网络的空中机器人传感控制研究

对空中机器人进行传感控制极易受到电磁的干扰,导致接收到的信息存在大量噪声,无法实现准确稳定地传感控制。由此,设计基于BP神经网络的复杂电磁环境中空中机器人传感控制系统,实现空中机器人在复杂电磁环境中的有效控制。设计系统架构包括机载飞控子系统和地面站子系统两部分;系统通过超声波测距模块确定障碍物同空中机器人的详细距离,利用核心是S3C2410芯片的主控模块对测距模块获取的信息实施处理,基于处理后的信息采用神经网络算法实现空中机器人避障传感控制。系统使用BP算法对神经网络进行训练,实现空中机器人正确判断障碍物的同时降低传感控制误差。实验结果表明,所设计系统能够在复杂电磁环境中实现对空中机器人准确的、快速稳定的传感控制。

多学科融合在大学生科创竞赛指导中的实践——以国际空中机器人大赛为例

在大众创业、万众创新时代背景下,大学生科创竞赛向着创新性、综合性、团队性等方向发展。为了应对新时代背景下的需求,提高科创竞赛成绩和培养复合式综合性人才,构建了跨学科、跨学院、跨专业多学科交叉融合的创新竞赛培养模式,并在2019年国际空中机器人大赛中进行了具体实践,提高了学生的综合素质、挖掘了学生的创新潜能、培养了学生的团队合作精神,最终一举夺得全球总冠军。

基于蚁群算法的空中机器人三维轨迹规划

轨迹规划是机器人任务规划系统的一个重要部分。在MATLAB平台下,建立空中机器人飞行三维环境模型,基于此模型利用蚁群算法对空中机器人飞行轨迹进行规划研究。首先根据限制条件对建立的环境模型进行预处理和栅格化处理,然后将蚁群算法应用于三维已知环境模型中,得到1条由起始点到目标点的最短路径,以此作为轨迹规划的最优路径。空中机器人按照求得的最优路径进行运动,完成飞行任务。在路径寻优过程中蚁群算法表现出优良的有效性和使用性。

基于LPC2138的空中机器人飞行控制系统设计与实现

研究了基于嵌入式微控制器LPC2138的空中机器人飞行控制系统的设计与实现技术。在阐述了飞控系统功能要求的基础上,介绍了作为飞控计算机的微控制器LPC2138的功能,进而详细说明了飞控系统硬件平台的设计原理,给出了飞行控制系统的控制策略,阐述了飞行控制软件的工作过程。经过多次地面试验和空中试飞,表明本系统的设计是合理和可靠的,能够完成预期的飞行控制任务。

基于LMA的空中机器人情感表达方法研究

研究了空中机器人通过三维运动轨迹链的变化模拟人类表达情感的方法。针对三维空间中行为轨迹链所表达情感的认识问题,设计了轨迹链–情感标准集。针对多参数运动轨迹链设计,采用拉班运动分析(Laban Movement Analysis, LMA)理论建立了基于运动轨迹链参数的情感表达模型,根据情感状态及其变化而改变运动轨迹链从而实现情感表达。实验验证了该方法进行情感表达的有效性和充分性。

基于评价函数的空中机器人路径规划方法

提出了一种基于评价函数的空中机器人路径规划方法.对空中机器人建立了二维平面内的简化动力学模型.将机器人到目标直线的路径分解为等时间间隔的序列,以机器人与目标直线的距离、角度差、速度矢量差为组成成分设计了评价函数,对每个时间间隔搜索使评价函数最小的控制量,得到最优控制量序列.进行了不同初始偏航角下的路径规划仿真实验,其结果证明了方法的有效性,达到了理想的效果.

微小型空中机器人大容量数据记录仪的设计与实现

为了满足微小型空中机器人对数据记录的需要,提出一种采用PIC18LF4550微控制器和Flash存储器实现大容量、快速存储、质量轻、体积小的数据记录仪设计方案,功能单元包括Flash存储模块、接口模块、电源转换模块、模式检测等模块,设计开发了相应程序。测试和应用结果表明:该数据记录仪存储速度快,能够对输入速度为4 000 Byte/s的数据可靠存储;通过USB接口,实现数据高速输出;存储容量大,达到了1 Gbyte;功耗低,体积和质量能够满足微小型空中机器人的需求。通过模式检测模块的设计,数据记录仪能自动识别工作在数据存储模式或数据读出模式,使用方便、可靠。

树障清理空中机器人的姿态控制器设计

以一种用于对高压线路附近的树障进行清理的树障清理空中机器人为研究对象,分析其姿态控制问题。首先,建立了具有新型结构的树障清理空中机器人的姿态动力学模型和控制分配矩阵。然后,为了克服惯性矩阵的不确定性,采用滑模方法设计姿态控制器;同时,引入非线性函数来改进传统的边界层法以提高控制器性能;接着提出了一种切换控制分配矩阵的方法来解决空中机器人在切割作业过程中的动力学模型变化的问题。最后,在仿真平台上实现了上述控制器。实验结果表明,本滑模控制器具有良好的姿态控制性能,能有效克服机体惯量的不确定性;通过切换控制分配矩阵实现了空中机器人在切割作业过程中的姿态稳定。