毕业设计（论文）报告纸多旋翼无人机接力遥控系统设计与应用研究摘 要本文基于已有的多旋翼无人机飞行控制系统设计并实现了多旋翼无人机接力遥控（Relay Remote control, RRC）系统，并对其在电力系统张力放线中的应用进行了研究。多旋翼无人机在进行远距离电力放线等超视距作业时，由于无人机操控人员视线不佳而经常难以有效完成任务。RRC系统旨在通过分布在作业航路上的多个操控人员接力操控无人机以解决这一问题。无人机RRC系统由RRC控制器与无人机飞控组成，RRC控制器可同时接收四个遥控器信号，根据某一遥控器的请求将该遥控信号映射给多旋翼无人机飞控系统，将无人机交由发送请求的遥控器控制，从而实现多人对无人机的接力操控。此外，由于应用多旋翼无人机进行电力放线作业时必须遵循严格的操作规范，本文对无人机接力遥控系统在电力放线中的应用进行了方法研究，描述了基于RRC系统的电力放线操作规范。关键词：多旋翼无人机，接力遥控，电力放线Design and Implementation Research of Relay-Remote Control System of Multi-Rotor AircraftAbstractIn this paper, a RRC(Relay-Remote Control) system of multi-rotor UAVs is designed and achieved, which is based on the flight control system of multi-rotor aircraft we already have , and the application of the system in the process of tension stringing in power system is also studied.Since its hard for the pilot to operate the UAV effectively when its conducting a beyond visual range task like the remote tension stringing, the RRC system is designed to solve the problem by allowing several pilots who are distributed along the flight path to operate the UAV one by one. The RRC system of UAVs consists of the flight control system of UAV and the RRC controller, which can receive four remote signals at the same time, and output one of them to the flight control system according to the request of the remote controller. By that way the RRC system provides a possibility for relay remote control. After the implementation, this paper did a lot of research on the operation specification of the application of RRC system during tension stringing process in power system, and made a detial instruction for use.Key Words：multi-rotor aircraft; relay-remote control; tension stringing目录摘 要iAbstractii第一章 引言11.1 研究背景11.1.1 多旋翼无人机应用背景11.1.2 无人机电力放线技术现状31.2 研究意义41.3 研究目标与关键技术分析41.3.1 研究目标41.3.2 关键技术分析51.4 本文研究的主要内容5第二章 RRC控制器硬件设计与实现62.1 整体硬件构成62.2 RRC电路原理图设计72.2.1 主控器件最小系统82.2.2 S.BUS信号处理电路92.2.3 PWM信号驱动电路102.2.4 USB-RS232转换模块112.3 接力遥控器PCB设计122.3.1 PCB信号线布线设计122.3.2 晶振电路布线设计122.3.3 电源及接地线设计13第三章 RRC系统软件设计153.1 RRC功能定义153.2 RRC嵌入式程序设计163.2.1 Futaba遥控信号解码173.2.2 遥控切换逻辑203.2.3 平滑切换方案213.3 RRC上位机调参软件设计223.4 RRC系统失控保护策略研究24第四章 RRC系统电力放线研究264.1 电力放线基本方法264.1.1 电力放线基本概念264.1.2 初导引绳展放方法对比274.2基于RRC系统的放线规范研究294.2.1 前期准备工作294.2.2 制定方案304.2.3 现场布置354.2.4 起飞前准备工作354.2.5 无人机起飞作业364.3 RRC系统电力放线实验验证36第五章 总结与展望395.1 全文总结395.2 研究展望39参考文献40致 谢41i第一章 引言1.1 研究背景1.1.1 多旋翼无人机应用背景按照布局形式划分，多旋翼飞行器属于非共轴式碟形飞行器，其中又以四旋翼飞行器最为常见。四旋翼飞行器的研究历史最早可以追溯至上世纪初期。1907年Breguet兄弟与Richet教授合作建造了世界上第一架大型四旋翼飞行器Breguet-Richet，但是该四旋翼飞行器四个螺旋桨的动力全部来自同一台内燃机，由于在当时缺乏有效的控制手段以精确控制各个旋翼的转速，因而无法实现长时间稳定飞行，该研究计划最终被放弃1。之后的半个多世纪内一些学者也陆续搭建了类似的大型四旋翼飞行器，但一直没有取得重大进展。虽然多旋翼飞行器历史由来已久，但直到最近十几年才取得实质性的发展。从上世纪90年代开始，随着新材料技术、微机电（MEMS）技术以及计算机控制技术的迅猛发展，一系列小型电动多旋翼飞行器应运而生，其优点也逐渐显现，吸引了国内外众多学者以及飞行器爱好者团体，取得了很多突出的研究成果。欧美发达国家最早涉足多旋翼飞行器的研究，在美国像宾夕法尼亚大学、斯坦福大学和麻省理工学院等高校在多旋翼飞行器相关研究领域均取得了令人瞩目的成绩2345。德国也很早就开始了对小型多旋翼飞行器的研究，目前有一些公司已经开发出相当成熟的多旋翼飞行器产品，当中较典型的是由德国Microdrones GmbH 公司研发的MD4系列四旋翼飞行器6。MD4-1000 和MD4-3000 是目前商业领域多旋翼飞行器中最先进的代表，其中MD4-1000的续航时间最长可达88分钟，为多旋翼飞行器赋予了的更强的实用价值，如图1.1所示。图1.1 MD4-1000四旋翼无人机多旋翼飞行器在国内兴起得较晚，但近年来成为了热点研究课题。北京航空航天大学、国防科技大学、南京航空航天大学等高校较早投入到国内小型多旋翼飞行器的研究，均取得了一定的成果，但是距离国际先进水平还有很大的差距。目前国内市场上较为成熟的商业多旋翼飞行器厂家主要是深圳大疆创新公司以及北京零度智控等航模公司。其中大疆创新公司自主生产的NAZA、WOOKONG等多旋翼飞控系统被广泛应用于航模表演和专业航拍领域，在国际市场上也占有一定的份额。大疆公司还生产航拍专用的多旋翼机体，如图1.2所示。图1.2 DJI 筋斗云S800 EVO八旋翼无人机多旋翼无人机的机体结构相对简单，一般将旋翼对称分布在机体周围，通过协调各个旋翼的转速就可以改变无人机姿态，继而实现垂直起降、悬停、侧飞，甚至倒飞等多种飞行动作，且其飞行姿态十分稳定，能够有效消除外界环境中的微小扰动。与固定翼无人机相比，多旋翼无人机具有纵向的运动能力，能够实现悬停以及垂直起降，极大地降低了对起降的场地要求。高度智能化后，多旋翼无人机甚至能够实现自主起飞、自主着陆和编辑航路点飞行等自主飞行任务7。多旋翼无人机虽然发展时间不长，但是已经取得了许多显著的应用成果，在军事和民用领域拥有广阔的发展前景，并且已经有了一定的应用基础。在军事领域，多旋翼无人机可以应用于敌情侦察、通信中继、反恐训练等方面，甚至可以携带小型火炮武器执行敌后攻击任务。在民用领域，多旋翼无人机主要用来执行航拍任务。由于其优异的稳定性，使用多旋翼无人机进行航拍能够获得清晰稳定的高质量影像。此外，电力行业对多旋翼无人机同样有强烈的需求，尤其是在智能巡检输电线路74以及无人机电力放线技术领域。在智能巡检输电线路技术领域，利用多旋翼无人机巡查输电线路上的故障，不仅大幅降低巡线所需时间，提高了工作效率，而且还避免了人工巡线中发生人员伤亡的可能性，如图1.2所示。而利用多旋翼无人机进行电力放线作业更改变了传统所使用的人工架线的作业方式，经过实际测试证明了其巨大的优越性，并且已经成功应用在电力系统放线作业中。图1.2 多旋翼无人机智能巡检输电线路1.1.2 无人机电力放线技术现状电力系统进行高压铁塔间的架线操作时，需要在架设输电导线前先展放导引绳，以导引输电导线架设。传统的导引绳的展放方式为人力及机械牵引方式10，这种方式需要操作人员携带导引设备爬上高空铁塔，存在较大的安全隐患且效率较低。近年来随着技术的不断成熟，无人机也逐渐被应用于电力放线中初导引绳的展放作业。无人机展放初导引绳是利用无人机作为牵引设备，和专用的放线设备相互配合，进行“一牵一张”张力展放的方法11。在展放过程中，利用无人机牵引初导绳通过放线段塔顶，操作人员通过对讲机引导将初导绳投放在塔顶，完成架线的操作，如图1.3所示。图1.3 多旋翼无人机展放初导引绳无人机展放初导引绳的施工方法，适用于平原和丘陵地区的各电压等级输电线路的初导引绳展放作业，尤其适用于交叉跨越复杂的架线段和跨越档距在300m左右的跨越工程的初导绳展放施工。无人机起飞一次可以展放300至500m长的导引绳。在展放过程中，地面人员可以通过地面站通信设备返回的各项数据对无人机的参数进行实时监控。无人机在铁塔上空根据需要可进行悬停、侧飞或升降等姿态调整，必要时可以进行倒飞。1.2 研究意义遥控多旋翼无人机在进行远距离输电线路初导引绳展放操作时，由于远端输电铁塔会超出操控人员视线范围，因而无法始终保障对无人机的有效操控。造成这一问题的根本原因是单个地面操控人员的操控范围无法覆盖到飞行航路中的所有位置，而受到输电线路环境及无人机自身安全性能的制约，目前还无法完全依靠无人机自主飞行进行放线作业。因此在目前所具备的条件下，较好的解决方案就是增加操控人员人数，使多个操控人员沿输电线路分布在不同位置，通过接力操控无人机的方式避免上述问题。根据市场调研，目前市场上的多旋翼无人机只能够支持单人操作，因此需要设计专门的控制器以实现多人接力遥控操作无人机这一目标。本文以多