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。

基于模糊PID的球形两栖机器人的设计及控制

为了解决移动机器人对工作环境要求严格的问题,设计了一种适用于多变、狭窄环境的轻小型球形陆空两栖机器人,具有地面滚动和空中飞行两种运动模式,可以自主完成运动模式的切换。首先,设计了机器人的结构,包括滚动部分、飞行部分和模式切换部分。基于拉格朗日方法,建立了不同运动模式下的动力学模型,建立了基于欧拉方程的运动学模型。最后,根据机器人的运动模型,设计了飞行模式和地面滚动模式下的姿态控制器,并对控制器进行了仿真对比实验。在实机上进行了测试,实验结果表明,该机器人能够实现自主模式切换,在不同运动模式下运动稳定、姿态可控,在纯地面模式下具有一定的越障能力。在结构、控制方法及控制策略切换方法上对陆空两栖可变形机器人具有一定借鉴作用。

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.

输电线路清障飞行机器人双行走轮同步控制

传统架空输电线路异物清除作业无人机易受环境影响,作业困难且存在较多扰动等问题。基于此本文设计一种高空作业无人机挂线行走控制机构解决该问题。首先,根据输电线路环境与无人机作业模式,设计挂线行走机构,减弱高空作业时对无人机所受飞行作业扰动的影响;其次,针对清障机器人双行走轮转速同步存在误差问题,提出一种基于反向传播–比例积分微分(back propagation-proportional-integral-differential,BP-PID)主从融合偏差耦合的电机同步控制策略。通过仿真与实物实验验证表明,本文提出的挂线作业无人机双行走轮同步控制算法可有效解决电机因负载导致的转速不稳定以及高空作业无人机受环境扰动的问题。

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。

空中机器人(UAV)轨迹规划设计与仿真

研究空中机器人(UAV)的轨迹规划,使空中机器人(UAV)可以在顺利躲避障碍物的前提下从初始点到目标点。通过对空中机器人(UAV)的轨迹环境采用栅格化处理,在基于栅格划归的轨迹环境下运用蚁群算法寻求空中机器人(UAV)从初始点到目标点的最短路径,并在MATLAB中进行轨迹仿真。经过轨迹仿真,可以明显证明基于蚁群算法的空中机器人(UAV)可以寻求一条从初始点到目标点的最短路径。

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。

翅膀对仿蝗虫机器人空中姿态影响分析

为验证蝗虫通过翅膀不对称运动进行空中姿态调整机理,设计了仿蝗虫空中姿态调整机器人系统,通过曲柄摇杆机构实现翅膀拍动。分析了机构特性,建立了翅膀拍动模型,计算了不同拍动频率、不同拍动幅值下翅膀受力及力矩情况,分析了左右翅膀同步拍动与异步拍动时对机体产生的影响。最后,搭建了实验验证平台,实验结果表明,左右翅膀的同步拍动不会引起机体姿态较大变动,而两侧翅膀拍动相位的不同将引起机体来回摆动,拍动幅值的不同将引起机体的滚转运动,且拍动频率越高,机体滚转越明显。证明了蝗虫利用翅膀不同步运动进行空中姿态调整机理的正确性,也为仿蝗虫机器人空中姿态调整设计提供了依据。

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。

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。

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。

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。

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。

树障清理机器人的设计与实现

针对环境复杂的区域,高大树木、复杂地形等问题容易造成用电危险,而传统的人工清理树障的方法易造成安全事故,我国现有研发的机器人具有空中姿态控制不稳定以及数据传输不稳定等问题,对树障清理空中机器人进行了设计和实现.该机器人的结构组成主要包括多旋翼无人机、控制系统、远程监控系统、通信系统和刀具装置.通过确定地面坐标系和无人机坐标系的关系,建立空中机器人的动力学模型.充分考虑环境等因素对空中机器人传感器采集数据的影响,建立了传感器的数据融合算法,对传感器采集数据进行处理.采用PID(Proportion Integral Differential)控制方法对空中机器人的姿态控制器进行设计.为了验证该树障清理空中机器人的性能,对其进行了姿态控制试验和树障清理试验.试验结果表明机器人的姿态控制响应时间较短,最短可达1.2 s.在进行树障清理时,最大可清理树障直径约为4 cm,切割最长时间为3 s.

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。