化工灾害监测微型无人机技术研究

 2022-01-17 11:01

论文总字数:18449字

目 录

1绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究概况和趋势 2

1.3论文结构安排 5

2系统设计 6

2.1 需求分析 6

2.2 数学建模 7

3控制系统方案设计 10

3.1 姿态解算 10

3.2 线性自抗扰(LDRC)控制 11

3.3 模型仿真 12

4系统硬件设计 15

4.1 硬件系统整体设计 15

4.2主控制器选型 15

4.3角度传感器 16

4.4 气压计 16

4.5 GPS 17

4.6 超声波 17

4.7 磁力计 17

4.8 保护外壳以及材料选型 18

5系统软件设计 20

5.1软件设计概述 20

5.2 软件操作系统--RT-Thread 20

5.3 飞控程序设计 20

5.3.1 线程总览及程序结构 20

5.3.2 传感器的数据采集 22

5.3.3 数据滤波 22

6系统调试与分析 26

7总结与展望 29

参考文献 30

致谢 31

附录 32

化工灾害监测微型无人机技术研究

何俊

,China

Abstract:The detection method of Traditional way of patrol chemical disasters has many disadvantages,Such as it’s poor timeliness which will be easy to miss the best time to rescue.And due to it’s narrow field of vision ,it is hard to macro grasp the diffusion area and formulate the perfect solution.For this problem, This paper presents using Micro UnmannedAerial Vehicle as the platform to patrol chemical disasters,and Establishing the dynamic model for this platform,using the Linear Active Disturbance Rejection control algorithm,chosing stable mechanical material.After the experiment, the system can be real-time, stable and macro grasping the entire disaster site.

Key words:chemical disaster monitoring;unmanned aerial vehicle;Linear Active Disturbance Rejection control.

1绪论

1.1研究背景

随着我国经济的发展,我国对石化资源的需求日益增长,尤其是改革开放以来,化工园区作为国际发展的主流,在我国发展趋势非常猛烈,30年来已经初具规模,到2000止我国先后建立的各种化工园区超千家,然而经济突飞猛进的同时带来了巨大的隐患[9 10 11]。近年来,危险化学品工厂,运输泄露等事件频发,给人民群众,企业,国家照成了巨大的损失。如2015年08月12日,天津市滨海新区天津港的瑞海公司危险化学品的仓库发生火灾爆炸事故,造成165人遇难,多人受伤,已经审定的经济损失高达68.66亿元,被国务院调查组认定为特别重大生产安全事故,图1-1为事故后部分现场。2016年05月09日,南京化工园8号码头附近江上上,两艘装载特殊易爆化学气体的运输船发生爆炸起火,造成2死2伤,图1-2为事故现场。这类的化工灾害只能尽力减少发生的概率,但仍可能发生,因此合理的监测系统就至关重要。由于化工气体的有毒性,未穿戴设备的人不允许进入灾害现场,这对灾害的监测造成了很大的阻碍。这是如果使用无人机监测事故现场,掌握实时信息,就可以有目的,高效的实施救援计划。

图1-1 天津港事故现场

图1-2 南京化工园附近运输船事故现场

四轴飞行器不仅仅是一种微型飞行器,同时也是一个飞行的试验平台,在四轴飞行器上搭载智能设备时,就会比其他平台多了一些不可比拟的优势。它可以不受限于地形,适应除了强风,强力磁场干扰等极端的环境外的任何场景。但是四轴飞行器作为飞行平台,也有很局限的缺点,受限于目前电池行业的发展,四旋翼飞行器续航能力较差,只有20分钟左右。但这对于灾害监测已经足够。

四轴飞行器同时具有飞行效率高,成本低,适用性强的优势,可以很容易的做到悬停与垂直起降,机动灵活,适应瞬息万变的灾害场景[16 17]。利用微型无人机进行化工灾害的监测,进行实时数据与状态的监测,地面人员根据地面站实时采集的数据对无人机进行远程操作,规划新的监测路径。这样可以在第一时间制定高效的处理措施,降低次生灾害发生的可能性,减小原生灾害的损失。

今年来随着传感器技术的飞快增长,以及制作成本的降低,使得消费机无人机出现跃进式的发展,同时锂电池管理技术的提升使得微小型无人机的续航能力得到极大提升,普遍达到了20-30分钟[18 19 20]

1.2国内外研究概况和趋势

1996年,以色列的工业公司在美国的蒙大拿州使用其“火鸟”无人机进行火灾监测,这是民用的最早使用无人机进行灾害监测的做法。

现在的微小型无人机监测几乎都使用市面上已经存在的消费级无人机。图1-3为江西省某化工厂发生爆炸,消防官兵使用无人机进行监测。图1-4为相应的地面站。

消防官兵使用无人机进行监测

图1-4 地面站

国外的民间微小型开源飞控项目已经比较多了,其中较优秀的有APM(ArduPilotMega)项目,PIXHAWK项目,PPZ(paparazzi)等,他们都可以实现比较平稳飞行,定高,定点,巡航等功能,但是由于开源的原因,导致每个项目都很冗余,难以进行二次开发,难以定制需要的特殊功能,图1-5为PIXHAWK开源飞控,图1-6为其开源的地面站QCS(qground control system)。

图1-5 PIXHAWK开源飞控

图1-6 PIXHAWK开源地面站

目前,国外比较著名的微型无人机项目实验室是由苏黎世联邦理工大学拉菲罗·安德烈和他的团队所组建。他们将运动工程学与飞行动力学相结合,实现了四轴飞行器打乒乓球,协同接物,顶倒立摆,集群飞行,抓物等高难度动作。图1-7为其端酒杯动作。

图1-7 四轴接物

2008年,德国著名的飞控Mikiokopter正式开源,由于MK项目系统的硬件设计简单,软件结构清晰,十分适合新手,因此,在国内引发了DIY四轴飞行器的潮流,但因为锂电池成本高,MEMS姿态传感器昂贵,很快热潮就消失了。

直到2012年,锂电池获取突破性进展,成本降低,同时各种低成本姿态传感器面世,这股热潮再次被掀起。在这批热潮中涌现了一大批优秀的企业,如深圳大疆科技,图1-8为大疆的无人航拍机-悟。

目前,国内对四旋翼的研究仍然处于基础阶段[12 13 14 15],对化工灾害的监测方向的研究更少。

图1-8 大疆航拍无人机

1.3论文结构安排

  1. 绪论。对微型无人机进行介绍,分析其国内外的发展状况,简述本文研究意义及主要内容。
  2. 系统设计。根据需要实现的目标,建立系统框图,根据搭建的机架,分析其动力学和运动学特性,根据分析建立数学模型。

(3)控制系统模型设计。根据建立的模型,分析讨论适宜的驱动控制方法,提出控制模型和线性自抗扰控制算法,最后对其控制效果进行仿真。

(4)系统硬件设计。从芯片选型、传感器选型、电路设计等方面,给出硬件平台的总体设计方案以及各模块的具体实现。

(5)系统软件设计。设计不同的任务,根据主控芯片的计算能力做出优化,然后运行在实时操作系统中,最后实现操作目的。

(6)系统调试与分析。测试系统功能的实现情况和性能表现,根据测试结果对系统进行性能分析,检验所提出的控制方案能否驱动微型无人机并使其满足预定的目标和要求。

(7)最后总结本文的主要研究工作,分析存在的问题和不足之处,提出接下来改进的方向。

2系统设计

由于化工灾害现场气流状况复杂,因此稳定飞是设计无人机的第一要素。要想一个微型飞行器进行安全可靠的飞行,必须为其配备可靠的模块,建立可用性高的动力学模型。

2.1 需求分析

化工灾害监测的无人机需要实时受地面人员控制进行航迹规划,并且无人机自生的状态也要实时受到监控,防止无人机自生的坠落引发二次灾害。因此用于化工监测的无人机必须包含以下模块:

飞行控制模块:负责核心计算,对采集的数据进行分析,对输出模块进行控制。

数据采集模块:采集加速度计,陀螺仪,电子罗盘,GPS等数据。

数据存储模块:对采集的数据,解算的数据以及飞行状态进行记录。

数据传输模块:实时传输状态信息。

电机控制模块:负责高效实时的对电机进行控制。

终端显示模块:负责简单的人机交互,通过蜂鸣器,LED等提示相应的状态。

地面站虚拟系统:所有飞行状态以及采集信息的汇总。

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