银川能源学院大学生创新创业训练计划项目申报表

1、银川能源学院大学生创新创业训练计划项目立 项 申 报 书计划项目名称：基于四旋翼飞行器在输电线路巡视与检测 团队负责人（学生）：马如海 指 导 教 师： 马天柱 所在学院（部）： 电力学院 学院（部）负责人： 侯卓生 填 写 日 期： 2014年6月12日 教务处制一、项目名称基于四旋翼飞行器在输电线路上的巡视与检测二、团队成员 指导教师姓 名马天柱性 别男民族回出生年月1982.05专业技术职称/行政职务助教/电子创业创新中心主任联系电 真Email项目实施学生团队核心成员姓 名性别所在学院（部）班级签字马如海男电力学院电气工程及其自动

2、化1204班张敏越男电力学院电气工程及其自动化1203班马林男电力学院电气工程及其自动化1204班三、项目内容1、 项目简介（包括项目研究目的、主要内容、创新点和特色）无人飞行器（UAV）是指具备动力装置，而不需要操作人员的飞行器；它利用空气动力来抵消自身的重量，可以实现自主飞行或者遥控飞行；随着科学技术的不断提高，无人飞行器得到了迅速的发展，其在军事领域和民用方面都有着大量的应用，比如：应用于侦查勘测、数据采集、通信中继等等，通过无人飞行器来完成上述的任务，不仅操作灵活，降低成本，还可以避免人员消耗。目前，国内外四旋翼无人机厂家较多，从简单的航模级到工业级设备，产品较多，主要应用于航拍、侦查

3、等业务，满足电力行业应用需求的产品不多，从满足输电线路巡视检测需求出发，考量四旋翼飞行器在电力输电线路上的应用。本课题研究一种四旋翼飞行器可携带航拍和其他检测设备近距离进行巡视作业和检测，可有效代替人工巡视，具有机动灵活、安全稳定和快捷高效的特点，可以对输电线路故障、隐患进行快速、精确检测，可以在各种复杂地形及自然灾害情况下高效地执行应急任务，大大提高输电线路维护、巡视质量和水平，减少人力成本。首先介绍四旋翼飞行器整个系统组成,包括飞行控制系统、飞行动力系统、导航定位系统、超声波测距系统和机载无线数字视频传输系统。 其次是飞行器姿态控制方法,主要是加入加速度计和陀螺仪的卡尔曼滤波融合算法，即卡

4、尔曼滤波。1.飞行控制系统：采用瑞萨推出的最新超低功耗微处理器RL78/G13， RL78/G13是以78K0R CPU內核为基础,围绕新的RL78 CPU內核演化而来的，应用于各种工业和消费类电子。2.飞行动力系统：采用三相无刷直流电机和好盈电调联合控制。3.传感器系统：微型无人机要求提供实时、高质量的航拍图像。本设计所采用的摄像与无线传输系统主要由图像传感器、视频压缩编码芯片、微处理芯片、FLASH 芯片和SDRAM 内存以及无线网卡等组成。由于受微型无人机的载荷所限, 该系统首先选用重量较轻的高分辨率模拟摄像机采集视频信号, 然后利用图像编码器将采集到的模拟图像, 转化生成分辨率较高的数

5、字图像。飞行姿态系统，加速度计采用ADXL345，陀螺仪采用ITG3205，分别用来测量静态角度和动态角度。经算法融合后能够得出两种状态下的精确角度，即俯仰角和横滚角。关于姿态融合的算法也有很多，如互补滤波和卡尔曼滤波等。我们采用的是卡尔曼滤波，经试验，滤波算法基本达到要求精度。并利用电机和旋翼的数学模型进行飞行器高度和角度控制的建模和方针分析,得到的姿态控制模型有良好的可控性。在四旋翼飞行器达到飞行姿态稳定的基础上,将GPS导航信息融合到飞行器的姿态控制环。在此利用卡尔曼滤波技术对GPS数据进行优化,建立了卡尔曼滤波的状态方程和观测方程,并通过仿真显示滤波后的数据有良好的航迹跟踪效果。 为了

6、避免飞行器在巡线检测过程中与线路杆塔、绝缘子等发生碰撞,提出一种基于模糊控制的超声波避障方法,建立了模糊规则,实现了模糊算法,并将模糊控制的输出量转化为飞行器电机转速控制的控制信号。飞行器导航系统由导航控制板、GPS接收器和电子罗盘构成，考虑到飞行器在输电线路巡视时，如果风力达到三级以上，飞行器会发上短距离的飘逸，为避免与线路杆塔、导线、绝缘子等发生碰撞，在此添加了超声波测距模块探测周围的飞行环境。2、 项目实施方案(实施本计划项目的指导思想、工作思路、预期效果，创业项目还需包括创业策划、运行等内容)1. 指导思想 在教师指导下，由学生自主完成四旋翼飞行器项目的分析，设计、制作。从基础出发，综

7、合应用多门课程和多领域的知识，运用最新的科学技术去实现安装、调试，完成技术经济分析报告。增强学生综合运用所学知识，分析问题、解决问题的能力。特别是培养学生自主创新，自主学习、自主项目管理的能力，加强团队协作意识等多方面的素质，塑造学生敢于创造、勇于创新的精神面貌。2. 工作思路要使四旋翼飞行器能够进行线路巡视和检测，必须使飞行器具有稳定飞行和精确的导航定位功能，并且飞行器自身需要具备避障功能，另外对于飞行器动力系统中电机调速的实时控制，确保飞行器能安全可靠的执行任务也显得格外重要。3. 预期效果（1）本设计平台有市场推广应用价值，电力线路巡视一般采用人工，巡线员的工作非常艰苦备着各种仪器和材料

8、在山路上行走，一些地势险要的地方更是无法到达。我国目前110KV以上的电力线路近九十万公里，巡线作业每年要进行多次，数量巨大且投入的人力财力巨大。正是由于此项作业的高危险性和高劳动强度，国内外均开展了此项研究，以减少作业量。（2）通过本项目制作，完成四旋翼飞行器硬件平台的搭建、软件知识和程序设计等功能；培养学生从事设计性研究的兴趣，激发潜能。（3）提高学生的研究创新能力，为学生今后从事相关领域的研究工作、就业、自主创业提供平台。（4）借助于移动网络来实现四旋翼飞行器的实时监控。四、项目管理机制 (1200字以内)1. 团队组成及分工（1）项目团队组成团队核心成员由来自电力学院电工电子爱好协会的

9、2名学生组成，有1名指导教师为计划负责人。从2012年3月开始，指导教师马天柱曾多次带领学生参加物联网设计大赛和全国大学生电子设计大赛且取得了较好的成绩，团队核心成员对电子新技术、传感器技术、自动化等新工艺非常感兴趣，电子技术、电子装配实训成绩优异。曾参加过全国大学生电子设计大赛和挑战杯课外学术作品大赛并取得了优异的成绩。在校期间钻研单片机控制、STM32嵌入式微控制器、物联网设备监管系统等。完成了各种小制作，动手能力强，对物联网信息、软件编程操作较熟悉，有良好的沟通能力和团队协作精神。（2）项目团队分工 马天柱负责项目技术指导、协调提供实验仪器、场地等，必须随时跟踪项目组进度，及时与学生沟通

10、，填写指导教师记录，同时监督项目组经费使用情况；张敏越负责项目的调研及与各公司的协作等工作，购置元器件、以及后期资料的收集整理、论文资料的收集等工作；马如海负责项目的软件编写、硬件设计、安装、调试等。2. 项目运行及管理办法(管理、运行、验收、变更)（1）项目运行管理的目的、意义在指导教师的指导下，学生自主开展研究性学习、实验方法设计、设备和材料组织、实施实验、数据分析处理、总结报告等工作。带动学生科学研究与发明创造的训练；推广研究性学习和个性化培养的教学方式。（2）项目的管理、运行、验收 对项目的经费、进度、质量等进行全方位控制。第1阶段（2014.062014.08），进行调研，分析比较四

11、旋翼飞行器技术特点和应用；第2阶段（2014.92015.4），初步设计，购置元器件，软件程序设计；第3阶段（2015.52015.8），与有关企业联系，推广项目成果；第4阶段（2015.92015.12），项目验收，编制分析报告，撰写论文。指导教师对项目进行定期检查，及时将项目信息反馈项目管理办公室。指导团队考核学生实验日志、实验分析报告、中期报告。五、计划保障机制(600字以内)1. 经费保障(配套经费及经费管理办法)项目批准开展时，学校将按照1：1的比例要求提供配套资金，保证项目的顺利实施。项目经费的使用由项目负责人进行计划，提供相关资料，从项目资助经费中支取，相关经费的预算在项目开发初

12、期制定，可以根据项目进行情况，进行适当的调整，保证项目正常进行。 2. 条件保障(学校提供设备、场地、设施等具体情况)学校现拥有大学生创新实验室、单片机实验室20台、传感器技术实验室 26台DG-2型电工原理实验台、数字电子和模拟电子实验箱各10台、KJ310电力电子实验装置、ZY-线路板制作机、DDSZ-1型系列电机及电子技术实验台等20个专业实验室，还建有电子装配实训室等，配有能保证项目开展的基础实验、创新实验所需要的设备和实验场地。可提供满足开展本项目安装、调试的物联网软件平台、交直流稳压电源、数字万用表、YDS-996A信号发生器等电工仪器仪表及工具，可完成PCB板的制作 ，可完成电子元器件安装、焊接、调试及SMT焊接工艺等工作。另外，良好的校企合作、产学结合为本项目提供市场应用的平台。项目团队可以将研究成果应用到合作企业项目中，最终达到应用推广、取得一定的市场效益的目的。六、经费预算开支科目预算经费主要用途资料检索费 1000购买相关资料器材和耗材费4000购买相关元件和器材现场试验1000实验经费