无人机巡检500 kV典型铁塔的抗干扰路径规划

在规划无人机巡检输电铁塔的飞行路径中,考虑无人机所受的电磁干扰对于保证无人机安全高效地完成巡检作业任务具有重要意义。由于不同形状铁塔的巡检目标位置、导线排布方式不一致,造成无人机的最优巡检路径和安全距离存在差异。为此,选择了4种500 kV典型输电铁塔作为研究对象,通过有限元仿真分析了不同形状铁塔对无人机的电磁干扰并确定了无人机巡检各典型铁塔的安全距离;结合巡检对象及常见缺陷出现的位置确定了无人机巡检4种铁塔的高空安全悬停点;通过混合遗传-模拟退火算法寻优得到了4种典型铁塔下无人机最优巡检路径。结果表明,无人机巡检500 kV酒杯塔、猫头塔、干字型耐张塔和双回鼓型塔的最优路径长度分别为190.4、202.6、213、313.7 m;前3种塔型的最小安全距离为1.5 m,最后一种塔型的最小安全距离为2 m。     

基于激光测距及ROS系统的无人机导线跟随方法研究

无人机巡检作业是现在输电线路巡检较为高效、科学的解决方案。针对架空输电线路的特点和人工操作无人机巡检成本高居不下的情况,本文提出了一种基于ROS系统的无人机全自动导线跟随巡检作业系统。系统利用激光雷达的三维测距特性,飞行过程中利用点云信息反馈对无人机姿态进行控制,实现无人机与导线保持安全距离下进行跟随飞行。然后,利用RTK信息建立多塔间的几何关系,计算无人机过塔飞行中所需路程从而实现过塔飞行。实验表明,本文提出的方法实现了导线跟随及过塔飞行,满足自动巡检需求,具有较好的可行性和有效性。     

激光补给无人机跟踪方法研究

激光供能无人机能实现能量实时补给,提升无人机续航时间。无人机一般情况下,飞行距离地面固定补给站较远,激光光斑增大到完全覆盖无人机机身,导致无线能量传输距离过远,以及如何实施激光跟踪瞄准。针对上述问题,本文提出了一种新的跟踪瞄准方法,根据安装在光伏电池板上光敏传感器的输出电压的对比来对无人机进行最优追踪。经计算得出东西向的偏移量为2.310 mm,与实际偏移量2 mm近似,误差0.31 mm。     

距离相关噪声AOA协同定位下无人机路径优化方法

该文研究到达角度(AOA)协同定位下无人机路径优化问题.考虑实际AOA量测噪声方差是目标-传感器距离的函数,距离相关噪声特性使得AOA定位难度增加.为了更好地适应量测噪声随距离变化特性,该文提出一种变增益无迹卡尔曼滤波算法.随后,给出了距离相关噪声AOA定位下广义克劳美罗下界(GCRLB).在此基础上理论分析了无约束最优传感器位置分布和约束条件下最优传感器位置分布.以GCRLB的迹最小化为目标函数建立AOA协同定位下多无人机路径规划问题,采用罚函数和LM算法优化求解,仿真验证了所提算法的有效性.     

距离相关噪声AOA协同定位下无人机路径优化方法

该文研究到达角度(AOA)协同定位下无人机路径优化问题。考虑实际AOA量测噪声方差是目标-传感器距离的函数,距离相关噪声特性使得AOA定位难度增加。为了更好地适应量测噪声随距离变化特性,该文提出一种变增益无迹卡尔曼滤波算法。随后,给出了距离相关噪声AOA定位下广义克劳美罗下界(GCRLB)。在此基础上理论分析了无约束最优传感器位置分布和约束条件下最优传感器位置分布。以GCRLB的迹最小化为目标函数建立AOA协同定位下多无人机路径规划问题,采用罚函数和LM算法优化求解,仿真验证了所提算法的有效性。     

基于激光末端引导的无人机精确回收技术

为了提高野外复杂环境下无人机回收的回收精度及回收成功率,采用了基于激光末端引导体制的无人机精确回收方法,对激光末端引导精确回收无人机系统的工作原理及流程进行了理论分析和验证,取得了无人机引导距离段与激光引导光场辐射场以及无人机偏航角度信息与系统精确回收之间的数据关系。结果表明,在距离着落点1km~2km的粗引导距离段,保持恒定40m的激光引导光场辐射场,可以使无人机快速进入激光辐射场调整偏航角度信息,提高回收的可靠性;在中间距离段,激光辐射场与着落距离按线性关系变化,有利于粗引导转入精确引导阶段;在距离着落点500m以内的精确引导距离段,保持20m的激光引导光场辐射场,可以提高无人机系统的回收精度。将该方案应用到无人机的回收系统中,可以显著提高无人机在复杂环境下的回收精度。     

一种双CPU主从式毫米波雷达系统

我国国土辽阔,地形复杂,丘陵及山区较多,气象条件复杂,为了实现安全、可靠的供电,迫切需求自动化、现代化的巡检技术手段。目前,国网公司正逐步采用无人机技术来提高架空输电线路的运行效率和质量,无人机已成为电网巡检的重要技术手段。分析目前架空输电线路巡检的紧迫形势,及现有无人机巡检技术的优点及机载避障技术的缺陷,提出了一种用于输电线路巡检无人机的毫米波避障雷达,该雷达系统采用双CPU主从搭配模式,可有效测量出障碍物距离,为无人机巡检保驾护航。     

紫外非均匀虚拟势场下无人机编队重构避碰算法

针对复杂电磁环境下无人机编队重构过程中的路径规划和机间避碰问题,该文在传统紫外虚拟势场基础上,利用距离因子对斥力函数进行了改进,构建了一种紫外非均匀虚拟势场来协助无人机进行机间避碰。改进的紫外非均匀虚拟势场可以使得无人机避碰路径更加平滑,相同时间内,无人机可以飞行更远的距离。此外,通过无线紫外光测距方法计算无人机机间距离,并结合紫外非均匀势场对传统的人工势场法进行改进,实现无人机编队重构。仿真结果表明,该文算法可以有效解决传统算法下路径振荡和局部最小值问题,同时避碰效率相比传统人工势场算法有明显提升,在预设环境中该文算法路程缩短6%,到达目标点的时间提前40%。最后在两种不同的队形重构场景下,对该文算法进行了验证,结果表明该文算法可以有效实现无人机队形重构中预期的机间避碰效果。     

无人机电力线路巡检安全距离测量新方法

针对无人机电力线路巡检时安全飞行距离把控困难的难题,提出一种基于双目测距的无人机电力线路巡检安全距离测量方法,基于线路连续特征进行双目图像行匹配。与传统双目匹配算法不同的是,所提方法避免了构造卷积窗口对左右图像进行像素点遍历,直接根据极限约束快速找到匹配点来计算视差,大大提高了图像匹配速度,降低了程序的冗杂度,减少了由于运算数据量过大导致的误差。最后通过双目测距原理实现无人机巡检安全距离的测量。测量结果表明,所提系统能够在测定距离为15 m时,测距反应速度达到50 ms左右,相对误差小于5%。     

通信约束下的多无人机协同航路规划

针对存在通信约束的多无人机协同航路规划问题,在考虑多无人机同时到达目标点和避免相互碰撞的条件下,使用改进的A*算法规划出多无人机飞行的原始航路;通过不断计算和比较无人机间的距离来限制无人机的飞行,使无人机之间的距离始终保持在允许通信距离范围内;通过减小最大允许通信距离和增大最小安全距离来消除通信时间延迟对协同航路规划的影响,从而建立了存在通信距离限制和通信时间延迟条件下的多无人机协同航路规划算法。仿真结果验证了该算法的有效性。     

一种飞行巡线机器人的设计与实现

针对2019年全国大学生电子设计竞赛中要求设计制作一款四旋翼飞行器的巡线机器人来实现对电力线路进行自动巡检、巡查和巧遇故障时自动拍照存储记录等功能,设计提出了一种基于四旋翼飞行器的巡线机器人的设计方案。采用高性能微控制器TM4C123GH6PM作为巡线机器人的飞控主处理器,为了满足自动巡检任务,在飞控板上增加了视觉Open MV传感器、姿态传感器和超声波模块协同作用来识别线缆、定高和测距。实验结果表明,设计的四旋翼巡线机器人能够在多种飞行速度和无路径规划条件下完成正常的电力线路巡检任务。     

空中目标夜间不同方位长波红外辐射特性分析

针对试验和训练中靶机实装模拟、建模仿真需求,需在外场动态测试靶机飞行状态下红外辐射特性,该测量结果置信度较高。本文通过对红外成像测量设备定标,计算路径辐射和透过率,亮度反演的方法获得了靶机夜间不同方位辐射强度分布,测量误差约为21.24%。分析测量结果,但当靶机相对测量设备绕飞时,靶机不同方位辐射强度基本一致;靶机在一定距离外无法探测长波尾焰辐射,在靶机模拟和建模中需合理考虑尾焰辐射。该距离下靶机目标/背景灰度对比度约为人眼响应阈值的2倍,人工侦察探测识别较为困难,在靶机外场模拟时需注意对比度对试验探测识别结果的影响。本文可为靶机特性建模、外场模拟应用和测量设备研制提供支撑。     

基于深度相机的小型无人机室内三维地图构建

为了解决小型无人机在室内光线不足情况下的避障以及路径规划问题,设计了一种基于深度相机的无人机室内地图构建系统。文中使用Pixhawk控制板和低成本嵌入式结构光深度相机硬件平台,为避障以及路径规划目标提供室内环境信息。采用反传感器模型算法,利用深度相机和位姿传感器提供的信息来筛选处理出有效的障碍物信息,并构建室内的三维地图,其中深度相机通过激光扫描的方式来获取障碍物点云的描述信息,利用位姿传感器获取无人机的高度信息。实验结果表明,使用该系统能够快速获取室内地图,对障碍物的判断准确率比较高,且不受光线影响,可以广泛应用于无人机的室内导航,实现不依赖外部光源的室内无人机地图构建系统。     

舰载激光武器打击无人机蜂群毁伤特性研究

舰载激光武器是一种反制无人机蜂群有效、快速、低成本的防御手段。论文针对舰船无人机蜂群反制,分析了舰载激光武器对不同材质的无人机毁伤机理,结合无人机材料激光毁伤阈值,建立了激光武器反制无人机蜂群模型,仿真了不同激光功率条件下对无人机蜂群的有效打击距离,评估分析了激光武器打击无人机蜂群的作战效能,可为后续激光武器协同火力打击无人机提供支撑。     

基于多传感器集成的堆场激光测量技术应用

针对采用体积和密度换算测量大型堆场储量时体积计算精度低、数据获取周期长、堆场类型不能统一测量与计算的问题,提出利用高速激光扫描仪、距离传感器、角度传感器及俯仰传感器集成技术,快速获取堆场三维坐标数据,并推导统一的三维坐标求解算法,建立堆场空间三维坐标系解算堆场三维坐标,准确计算堆场储料体积。同时,提出系统建设架构、组成、数据处理方法和需要考虑的问题。该方法有效解决了大型料场现有测量所面临的问题,提高了测量效率、准确性和安全性。在试验条件下,绝对精度达到0.4%。多个项目实例表明,该方法简洁、高效、准确,普通200m的料场一次测量时间不超过20min,测量体积重复测量误差小于0.7%,具有良好的应用前景和推广价值。     

Collision-free local planner for unknown subterranean navigation

When operating in confined spaces or near obstacles, collision-free path planning is an essential requirement for autonomous exploration in unknown environments. This study presents an autonomous exploration technique using a carefully designed collision-free local planner. Using LiDAR range measurements, a local end-point selection method is designed, and the path is generated from the current position to the selected end-point. The generated path showed the consistent collision-free path in real-time by adopting the Euclidean signed distance field-based grid-search method. The results consistently demonstrated the safety and reliability of the proposed path-planning method. Real-world experiments are conducted in three different mines, demonstrating successful autonomous exploration flights in environment with various structural conditions. The results showed the high capability of the proposed flight autonomy framework for lightweight aerial robot systems. In addition, our drone performed an autonomous mission in the tunnel circuit competition (Phase 1) of the DARPA Subterranean Challenge.     

线激光传感器的边缘偏差修正方法

为了修正线激光传感器在轮廓测量中的边缘偏差,提出了一种边缘偏差修正方法。该方法通过分析边缘偏差的主要误差来源,建立一种基于曼哈顿距离和切比雪夫距离的混合去噪模型,实现杂散噪声的滤除;采用最小二乘法对线激光轮廓测量误差模型进行补偿。为了验证该方法的有效性,以量块的标称尺寸作为评价指标进行测量校准实验。实验结果表明:该修正方法对杂散噪声的滤除效果显著;其中,未经补偿的尺寸测量误差为0.43 mm,经修正方法补偿后的尺寸测量误差最小达0.04 mm,比前者降低了一个数量级。因此,该方法可有效修正边缘偏差,提高线激光传感器的轮廓测量精度。     

新型激光多波束系统供能无人机集群方案研究

由于单无人机执行任务量有限、整体效率低,故而无人机集群运动以其稳定性好,执行任务多样性,易操作,易控制等特点受到越来越多的关注。在激光供能无人机集群中,针对无人机的机载能量限制了任务的范围和时长、传统供能方式仅能完成一对一供能导致供能效率较低等问题,本文提出了一种基于光学相控阵技术的新型激光多波束供能系统,包括整体的激光无线能量传输方案、系统工作的整体流程、基于领航跟随法的无人机集群编队控制等,此方案可完成一对多的自调节供能,满足整个无人机集群的能量需求,提高传能距离及传输效率,并通过对无人机集群进行算法控制精准到达预设供能区域。对未来激光无线能量传输应用的领域和方式具有参考价值。     

激光发散角测量的误差分析

为了研究产品装调过程中,套孔法和CCD成像法得到的激光发散角偏差较大原因,采用ZEMAX仿真进行了理论分析,并结合相关试验进行了验证。结果表明,在CCD白光观瞄系统中利用CCD成像法测量激光光斑大小时,由于白光与激光间存在光程差,计算激光发散角时,需要消除光程差导致的图像误差的影响。激光光斑大小与距离符合双曲线规律变化。近场条件下不成线性关系,CCD成像法测量得到的激光光斑图像偏大,计算得到的激光发散角远大于套孔法的测量值;远场条件下近似成线性关系,套孔法及CCD成像法测算得到的激光发散角数值基本一致。该研究可以根据产品的设计参量,消除光程差对激光激光束散角的影响,提高测量精度。     

物联网数据收集中无人机路径智能规划

为解决无人机在数据收集过程中的路径规划问题,将其分为全局路径规划和局部路径规划。针对全局路径规划,将其建模为一个定向问题,定向问题是背包问题和旅行商问题2种经典优化问题的组合。采用指针网络深度学习对该模型进行求解,并在无人机能量约束下得到其服务节点集合及服务顺序。针对局部路径规划,基于无人机接收到节点的参考信号强度,通过深度Q网络学习对无人机局部飞行路径进行规划,使无人机逼近节点位置并服务各节点。仿真结果表明,所提方案能够在无人机能量约束下有效提升其数据收集的收益。