銀川能源學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目申報表.doc

銀川能源學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目立 項 申 報 書計劃項目名稱：基于四旋翼飛行器在輸電線路巡視與檢測 團隊負責人（學生）：馬如海 指 導 教 師： 馬天柱 所在學院（部）： 電力學院 學院（部）負責人： 侯卓生 填 寫 日 期： 2014年6月12日 教務處制一、項目名稱基于四旋翼飛行器在輸電線路上的巡視與檢測二、團隊成員 指導教師姓 名馬天柱性 別男民族回出生年月1982.05專業(yè)技術職稱/行政職務助教/電子創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新中心主任聯(lián)系電 真E項目實施學生團隊核心成員姓 名性別所在學院（部）班級簽字馬如海男電力學院電氣工程及其自動化1204班張敏越男電力學院電氣工程及其自動化1203班馬林男電力學院電氣工程及其自動化1204班三、項目內容1、 項目簡介（包括項目研究目的、主要內容、創(chuàng)新點和特色）無人飛行器（UAV）是指具備動力裝置，而不需要操作人員的飛行器；它利用空氣動力來抵消自身的重量，可以實現(xiàn)自主飛行或者遙控飛行；隨著科學技術的不斷提高，無人飛行器得到了迅速的發(fā)展，其在軍事領域和民用方面都有著大量的應用，比如：應用于偵查勘測、數(shù)據(jù)采集、通信中繼等等，通過無人飛行器來完成上述的任務，不僅操作靈活，降低成本，還可以避免人員消耗。目前，國內外四旋翼無人機廠家較多，從簡單的航模級到工業(yè)級設備，產(chǎn)品較多，主要應用于航拍、偵查等業(yè)務，滿足電力行業(yè)應用需求的產(chǎn)品不多，從滿足輸電線路巡視檢測需求出發(fā)，考量四旋翼飛行器在電力輸電線路上的應用。本課題研究一種四旋翼飛行器可攜帶航拍和其他檢測設備近距離進行巡視作業(yè)和檢測，可有效代替人工巡視，具有機動靈活、安全穩(wěn)定和快捷高效的特點，可以對輸電線路故障、隱患進行快速、精確檢測，可以在各種復雜地形及自然災害情況下高效地執(zhí)行應急任務，大大提高輸電線路維護、巡視質量和水平，減少人力成本。首先介紹四旋翼飛行器整個系統(tǒng)組成,包括飛行控制系統(tǒng)、飛行動力系統(tǒng)、導航定位系統(tǒng)、超聲波測距系統(tǒng)和機載無線數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)。 其次是飛行器姿態(tài)控制方法,主要是加入加速度計和陀螺儀的卡爾曼濾波融合算法，即卡爾曼濾波。1.飛行控制系統(tǒng)：采用瑞薩推出的最新超低功耗微處理器RL78/G13， RL78/G13是以78K0R CPU內核為基礎,圍繞新的RL78 CPU內核演化而來的，應用于各種工業(yè)和消費類電子。2.飛行動力系統(tǒng)：采用三相無刷直流電機和好盈電調聯(lián)合控制。3.傳感器系統(tǒng)：微型無人機要求提供實時、高質量的航拍圖像。本設計所采用的攝像與無線傳輸系統(tǒng)主要由圖像傳感器、視頻壓縮編碼芯片、微處理芯片、FLASH 芯片和SDRAM 內存以及無線網(wǎng)卡等組成。由于受微型無人機的載荷所限, 該系統(tǒng)首先選用重量較輕的高分辨率模擬攝像機采集視頻信號, 然后利用圖像編碼器將采集到的模擬圖像, 轉化生成分辨率較高的數(shù)字圖像。飛行姿態(tài)系統(tǒng)，加速度計采用ADXL345，陀螺儀采用ITG3205，分別用來測量靜態(tài)角度和動態(tài)角度。經(jīng)算法融合后能夠得出兩種狀態(tài)下的精確角度，即俯仰角和橫滾角。關于姿態(tài)融合的算法也有很多，如互補濾波和卡爾曼濾波等。我們采用的是卡爾曼濾波，經(jīng)試驗，濾波算法基本達到要求精度。并利用電機和旋翼的數(shù)學模型進行飛行器高度和角度控制的建模和方針分析,得到的姿態(tài)控制模型有良好的可控性。在四旋翼飛行器達到飛行姿態(tài)穩(wěn)定的基礎上,將GPS導航信息融合到飛行器的姿態(tài)控制環(huán)。在此利用卡爾曼濾波技術對GPS數(shù)據(jù)進行優(yōu)化,建立了卡爾曼濾波的狀態(tài)方程和觀測方程,并通過仿真顯示濾波后的數(shù)據(jù)有良好的航跡跟蹤效果。 為了避免飛行器在巡線檢測過程中與線路桿塔、絕緣子等發(fā)生碰撞,提出一種基于模糊控制的超聲波避障方法,建立了模糊規(guī)則,實現(xiàn)了模糊算法,并將模糊控制的輸出量轉化為飛行器電機轉速控制的控制信號。飛行器導航系統(tǒng)由導航控制板、GPS接收器和電子羅盤構成，考慮到飛行器在輸電線路巡視時，如果風力達到三級以上，飛行器會發(fā)上短距離的飄逸，為避免與線路桿塔、導線、絕緣子等發(fā)生碰撞，在此添加了超聲波測距模塊探測周圍的飛行環(huán)境。2、 項目實施方案(實施本計劃項目的指導思想、工作思路、預期效果，創(chuàng)業(yè)項目還需包括創(chuàng)業(yè)策劃、運行等內容)1. 指導思想 在教師指導下，由學生自主完成四旋翼飛行器項目的分析，設計、制作。從基礎出發(fā)，綜合應用多門課程和多領域的知識，運用最新的科學技術去實現(xiàn)安裝、調試，完成技術經(jīng)濟分析報告。增強學生綜合運用所學知識，分析問題、解決問題的能力。特別是培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新，自主學習、自主項目管理的能力，加強團隊協(xié)作意識等多方面的素質，塑造學生敢于創(chuàng)造、勇于創(chuàng)新的精神面貌。2. 工作思路要使四旋翼飛行器能夠進行線路巡視和檢測，必須使飛行器具有穩(wěn)定飛行和精確的導航定位功能，并且飛行器自身需要具備避障功能，另外對于飛行器動力系統(tǒng)中電機調速的實時控制，確保飛行器能安全可靠的執(zhí)行任務也顯得格外重要。3. 預期效果（1）本設計平臺有市場推廣應用價值，電力線路巡視一般采用人工，巡線員的工作非常艱苦備著各種儀器和材料在山路上行走，一些地勢險要的地方更是無法到達。我國目前110KV以上的電力線路近九十萬公里，巡線作業(yè)每年要進行多次，數(shù)量巨大且投入的人力財力巨大。正是由于此項作業(yè)的高危險性和高勞動強度，國內外均開展了此項研究，以減少作業(yè)量。（2）通過本項目制作，完成四旋翼飛行器硬件平臺的搭建、軟件知識和程序設計等功能；培養(yǎng)學生從事設計性研究的興趣，激發(fā)潛能。（3）提高學生的研究創(chuàng)新能力，為學生今后從事相關領域的研究工作、就業(yè)、自主創(chuàng)業(yè)提供平臺。（4）借助于移動網(wǎng)絡來實現(xiàn)四旋翼飛行器的實時監(jiān)控。四、項目管理機制 (1200字以內)1. 團隊組成及分工（1）項目團隊組成團隊核心成員由來自電力學院電工電子愛好協(xié)會的2名學生組成，有1名指導教師為計劃負責人。從2012年3月開始，指導教師馬天柱曾多次帶領學生參加物聯(lián)網(wǎng)設計大賽和全國大學生電子設計大賽且取得了較好的成績，團隊核心成員對電子新技術、傳感器技術、自動化等新工藝非常感興趣，電子技術、電子裝配實訓成績優(yōu)異。曾參加過全國大學生電子設計大賽和挑戰(zhàn)杯課外學術作品大賽并取得了優(yōu)異的成績。在校期間鉆研單片機控制、STM32嵌入式微控制器、物聯(lián)網(wǎng)設備監(jiān)管系統(tǒng)等。完成了各種小制作，動手能力強，對物聯(lián)網(wǎng)信息、軟件編程操作較熟悉，有良好的溝通能力和團隊協(xié)作精神。（2）項目團隊分工 馬天柱負責項目技術指導、協(xié)調提供實驗儀器、場地等，必須隨時跟蹤項目組進度，及時與學生溝通，填寫指導教師記錄，同時監(jiān)督項目組經(jīng)費使用情況；張敏越負責項目的調研及與各公司的協(xié)作等工作，購置元器件、以及后期資料的收集整理、論文資料的收集等工作；馬如海負責項目的軟件編寫、硬件設計、安裝、調試等。2. 項目運行及管理辦法(管理、運行、驗收、變更)（1）項目運行管理的目的、意義在指導教師的指導下，學生自主開展研究性學習、實驗方法設計、設備和材料組織、實施實驗、數(shù)據(jù)分析處理、總結報告等工作。帶動學生科學研究與發(fā)明創(chuàng)造的訓練；推廣研究性學習和個性化培養(yǎng)的教學方式。（2）項目的管理、運行、驗收 對項目的經(jīng)費、進度、質量等進行全方位控制。第1階段（2014.062014.08），進行調研，分析比較四旋翼飛行器技術特點和應用；第2階段（2014.92015.4），初步設計，購置元器件，軟件程序設計；第3階段（2015.52015.8），與有關企業(yè)聯(lián)系，推廣項目成果；第4階段（2015.92015.12），項目驗收，編制分析報告，撰寫論文。指導教師對項目進行定期檢查，及時將項目信息反饋項目管理辦公室。指導團隊考核學生實驗日志、實驗分析報告、中期報告。五、計劃保障機制(600字以內)1. 經(jīng)費保障(配套經(jīng)費及經(jīng)費管理辦法)項目批準開展時，學校將按照1：1的比例要求提供配套資金，保證項目的順利實施。項目經(jīng)費的使用由項目負責人進行計劃，提供相關資料，從項目資助經(jīng)費中支取，相關經(jīng)費的預算在項目開發(fā)初期制定，可以根據(jù)項目進行情況，進行適當?shù)恼{整，保證項目正常進行。 2. 條件保障(學校提供設備、場地、設施等具體情況)學?，F(xiàn)擁有大學生創(chuàng)新實驗室、單片機實驗室20臺、傳感器技術實驗室 26臺DG-2型電工原理實驗臺、數(shù)字電子和模擬電子實驗箱各10臺、KJ310電力電子實驗裝置、ZY-線路板制作機、DDSZ-1型系列電機及電子技術實驗臺等20個專業(yè)實驗室，還建有電子裝配實訓室等，配有能保證項目開展的基礎實驗、創(chuàng)新實驗所需要的設備和實驗場地?？商峁M足開展本項目安裝、調試的物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺、交直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表、YDS-996A信號發(fā)生器等電工儀器儀表及工具，可完成PCB板的制作 ，可完成電子元器件安裝、焊接、調試及SMT焊接工藝等工作。另外，良好的校企合作、產(chǎn)學結合為本項目提供市場應用的平臺。項目團隊可以將研究成果應用到合作企業(yè)項目中，最終達到應用推廣、取得一定的市場效益的目的。六、經(jīng)費預算開支科目預算經(jīng)費主要用途資料檢索費 1000購買相關資料器材和耗材費4000購買相關元件和器材現(xiàn)場