1、 毕业设计（论文）报告纸 i 编号 南京航空航天大学 毕业论文 题 目 多旋翼无人机接力遥控系统设计与 应用 研究 学生姓名 学 号 学 院 自动化学院 专 业 自动化 班 级 指导教师 年 月 毕业设计（论文）报告纸 ii 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
2、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 毕业设计（论文）报告纸 iii Design and Implementation Res
3、earch of Relay-Remote Control System of Multi-Rotor Aircraft Abstract In 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
4、 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 th
5、e 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 t
6、hat 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
7、-rotor aircraft; relay-remote control; tension stringing 毕业设计（论文）报告纸 iv 目录 摘 要 . ii Abstract . iii 第一章 引言 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.1.1 多旋翼无人机应用背景 . 1 1.1.2 无人机电力放线技术现状 . 3 1.2 研究意义 . 4 1.3 研究目标与关键技术分析 . 4 1.3.1 研究目标 . 4 1.3.2 关键技术分析 . 5 1.4 本文研究的主要内容 . 5 第二章 RRC 控制器硬件设计与实现 . 6 2.1 整体硬件构成 . 6 2.2 RRC 电路原理图
8、设计 . 7 2.2.1 主控器件最小系统 . 8 2.2.2 S.BUS 信号处理电路 . 9 2.2.3 PWM 信号驱动电路 . 10 2.2.4 USB-RS232 转换模块 .11 2.3 接力遥控器 PCB 设计 . 12 毕业设计（论文）报告纸 v 2.3.1 PCB 信号线布线设计 . 12 2.3.2 晶振电路布线设计 . 12 2.3.3 电源及接地线设计 . 13 第三章 RRC 系统软件设计 . 15 3.1 RRC 功能定义 . 15 3.2 RRC 嵌入式程序设计 . 16 3.2.1 Futaba 遥控信号解码 . 17 3.2.2 遥控切换逻辑 . 20 3.2
9、.3 平滑切换方案 . 21 3.3 RRC 上位机调参软件设计 . 22 3.4 RRC 系统失控保护策略研究 . 24 第四章 RRC 系统电力放线研究 . 26 4.1 电力放线基本方法 . 26 4.1.1 电力放线基本概念 . 26 4.1.2 初导引绳展放方法对比 . 27 4.2 基于 RRC 系统的放线规范研究 . 29 4.2.1 前期准备工作 . 29 4.2.2 制定方案 . 30 4.2.3 现场布置 . 35 4.2.4 起飞前准备工作 . 35 4.2.5 无人机起飞作业 . 36 毕业设计（论文）报告纸 vi 4.3 RRC 系统电力放线实验验证 . 36 第五章
10、 总结与展望 . 39 5.1 全文总结 . 39 5.2 研究展望 . 39 参考文献 . 40 致 谢 . 41 毕业设计（论文）报告纸 1 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
11、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
12、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 毕业设计（论文）报告纸 2 多旋翼飞行器 在国内兴起得 较晚 ，但 近
13、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。 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
14、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
15、 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。 而利用多旋图 1.2 DJI 筋斗云 S800 EVO 八旋翼无人机 毕业设计（论文）报告纸 3 翼无人机进行电力 放线作业更 改变了传统 所使
16、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
17、”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毕业设计（论文）报告纸 4 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
18、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
19、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 以多旋翼无人机 在电力放线作业中的工程应用为背景 ， 设计了多旋翼无人机接力遥控 （ Relay-Remote Control,RRC） 系统 。该系统 由 RRC 控制器与无人机飞控系统 组合形成 ，其中 RRC 控制器 的工程实现是本文 的 重点 研究 内容 。 RRC 控制器 能够 同时 接收 四路遥控信号， 选择 某一路遥控信号输出给无人机飞控， 并可以随时根据现场 发出的请求 信息选择有效的遥控信号， 实现 了 多人 接力操控无人机的目标，具有很强的实用性和应用价值。 1.3 研究目标 与关键技术分析 1.3.1 研究 目标 本文的 总体 研究目标是： 针对 多旋翼无人机 进行电力放线作业时单人操控方式存在的 局限 ， 设计专用的控制器使其 能够允许多个人员 对 无人机进行 接力操控 ，从而 避免上述问题。具体目标包括： 设计制作 RRC 控制器硬件，与多旋翼无人机飞控组成 RRC 系统； 在 RRC 硬件 上设计 嵌入式程序 以完成 RRC 系统的主体功能； 设计 RRC 系统的上位机 调参软件， 以配置 RRC 系统的参数；
