消费级无人机倾斜摄影航线规划及地面站研究

发布时间：2020-10-22 17:10

　　 倾斜摄影技术可通过获取地物不同方向的纹理及结构信息,重新构建出地面场景的实景三维模型,该技术弥补了低空遥感技术只能获取顶部信息的不足,实现了地物信息的三维存储及分析。倾斜摄影技术在发展早期,通常采用大型固定翼、小型载人机或无人机搭载五镜头相机进行影像获取,获取的影像具有高分辨率、地物信息丰富等优势,但其设备购买及使用成本高且空域申请周期长、审批困难等问题,限制了该技术的使用场景。随着多旋翼无人机的面世,大幅降低了倾斜摄影的成本,倾斜摄影技术逐渐走向小区域场景建模任务中。近年来,大疆创新公司的迅速崛起,将消费级无人机带入了人们的视野,该类型无人机凭借着优秀的机动能力以及出色的稳定性迅速在各行业中得到应用。当前已有部分尝试将小型消费级无人机应用在倾斜摄影行业中,经实验取得了理想的成果,但是至今还少有学者针对消费级无人机进行倾斜摄影航线设计规划的研究。市面上消费级无人机多为四旋翼结构,究其原因是四旋翼无人机具有垂直起降能力、可悬停、操作简单以及结构稳定等特点。本文首先对其机体结构及飞行性能进行了深入的分析,并通过Matlab实现了其在一维至三维空间的模拟。通过实验了解四旋翼无人机可完成的飞行轨迹以及其飞行能力,为后期航线设计及规划收集大量的基础数据。在综合分析消费级无人机的性能后,本文认为将消费级无人机应用在复杂结构的建、构筑物或小场景倾斜摄影任务中最能发挥其特性。其次,文中将常见的小范围场景及地物进行了分类,并依据分类提出了不同的航线规划方法,具体可分为全覆盖航线、环绕航线、垂直航线以及等高线航线。再次,为实现倾斜影像获取的高效、稳定,设计并编写了基于Android语言的无人机倾斜摄影地面站,该地面站可驱使无人机依照规划任务自动完成倾斜摄影工作,大幅度降低了倾斜摄影技术的使用难度及工作量。为验证设计航线是否可行以及地面站是否稳定、可靠,在实验场针对多种特征建筑物及场景进行了航线规划及建模实验,对建模效果及精度分析,证明了航线及地面站均可行,并在实验中对航线进行组合使用,实现了复杂结构模型精细化建模,提高了消费级无人机倾斜摄影的能力及产品的精度。
【学位单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P231
【部分图文】：

2 无人机建模四旋翼无人机可被视为质量均匀且形状对称的刚体，为实现四旋翼无人真，首先需建立用于描述其空间位置及自身姿态的坐标系。通过刚体力学旋翼进行受力分析以建立适当的动力学模型。本节将对坐标系相关知识进绍，并对四旋翼的无人机动力学方程进行归纳总结。2.1 参考坐标系四旋翼无人机处于不断运动状态中，建立适当的坐标系对于详细描述其运动状态是至关重要的。为对四旋翼无人机进行仿真需对其坐标系系统进入分析。首先详细说明两套用于描述无人机姿态及空间位置的坐标体系。 2-3 所示。图 2-3 为两种坐标系及其关系的简易示意图。设参考坐标系为 W，该坐图 2-2 无人机控制规律Fig.2-2 Four-rotor UAV control law

间运动状态是至关重要的。为对四旋翼无人机进行仿真需对其坐标系系统进行深入分析。首先详细说明两套用于描述无人机姿态及空间位置的坐标体系。如图 2-3 所示。图 2-3 为两种坐标系及其关系的简易示意图。设参考坐标系为 W，该坐标系属于惯性坐标系，并设其三轴分别为 XW、YW、ZW，设机体框架坐标设为 B。图 2-2 无人机控制规律Fig.2-2 Four-rotor UAV control law7

第 2 章 无人机模拟仿真具有惯性或滞后性。导致误差调节落后于误差的变化。而误差的微分即表示误差的变化速率，反映了被控量的变化趋势。通过微分项即可将抑制误差的速率“提升”，达到降低误差的目的。可通过比例微分控制器相结合的方法，由于有微分项的存在将避免超调，可增强控制系统的动态性能。对于不同系统可采用不同控制方法及控制器结构。四旋翼无人机系统存在基础参数已知、对动态控制性能要求较高，且假设实验环境稳定无干扰。在此前提下本文将采用含有比例项及微分项的 PD 控制器，并增加可提高相应速度的前馈项。此处前馈项为无人机系统的加速度，即无人机飞行的飞行趋势。( ) ( ) ( ) ( )desv pu t = x t + K e t +K e t(2-22)通过 Matlab 对 PD 控制器进行模拟。以分析改变比例项及微分项对系统造成的影响。
【参考文献】

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1 徐博;陈立平;谭彧;徐旻;;基于无人机航向的不规则区域作业航线规划算法与验证[J];农业工程学报;2015年23期

2 邓才龙;刘焱雄;田梓文;任军;彭琳;;无人机遥感在海岛海岸带监测中的应用研究[J];海岸工程;2014年04期

3 董雪娟;许中怀;刘慧强;;小型植保无人机在水稻全程病虫害防治中的应用[J];中国植保导刊;2014年S1期

4 陈海;王新民;焦裕松;李俨;;一种凸多边形区域的无人机覆盖航迹规划算法[J];航空学报;2010年09期

5 孙阳光;丁明跃;周成平;傅阳光;蔡超;;基于量子遗传算法的无人飞行器航迹规划[J];宇航学报;2010年03期

6 于歌;刘刚;房建成;;小型无人机地面监控系统软件设计与实现[J];机械与电子;2007年07期

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2 张茂林;面向梯田环境的四旋翼飞行器路径规划与跟踪控制研究[D];深圳大学;2016年

3 李凌霄;多旋翼无人机单镜头倾斜影像采集关键技术研究[D];长江科学院;2016年

4 孙建;室内移动机器人区域覆盖路径规划方法研究[D];中国科学技术大学;2016年

5 王亮;四旋翼飞行器设计与姿态调整控制算法的研究[D];湖南大学;2016年

6 雷小佩;基于Android无人机地面站软件的设计与实现[D];西安科技大学;2015年

7 杨乐;面向海岛航拍的无人机航迹规划算法研究[D];中国海洋大学;2014年

8 孙伟;低成本的小型无人机飞行控制[D];南京航空航天大学;2011年

本文编号：2851872