小型多旋翼飞行器系统设计及自主任务规划

发布时间：2017-10-27 09:40

  本文关键词：小型多旋翼飞行器系统设计及自主任务规划

  更多相关文章： 六旋翼飞行器 环境感知 自主任务规划 MAVLink通讯协议 SITL仿真

【摘要】：以无刷直流电机作为动力装置的多旋翼飞行器结构简单、控制灵活,拥有很大的科研价值和广阔的应用前景。随着无人机技术的快速发展,以小型多旋翼飞行器为主的无人机自主任务规划将成为未来研究的主要方向。本文以六旋翼飞行器为代表仔细分析了其姿态控制原理,根据课题要求设计实现了载重大、易携带、稳定性好、易开发的六旋翼飞行器系统,并进行了具有针对性的校准和调试。同时为了实现空中环境感知,设计构建了一套机载环境感知系统,并针对电池和载重的限制,单独设计了电源模块。另外考虑到飞行器在空中姿态变化和抖动会对环境感知系统带来影响,额外搭载了惯性测量模块和视觉里程计来进行位姿校正,最终实现了三维场景的构建。在完成六旋翼飞行器系统构建的基础上,本文进行了自主任务规划的可行性分析。并针对小型无人机MAVLink (Micro Air Vehicle Link)通讯协议和上位机ROS(Robot Operating System)系统的特点,搭建了MAVLink-ROS桥,实现了飞行器与ROS的通讯。同时对任务规划的约束条件和设计方案进行了讨论分析,给出了自主任务规划的框架体系和控制流程图。为了保证进行自主任务规划时的可靠性和安全性,本文提出了一种SITL (Software In The Loop)的模拟测试方法,并在此基础上进行改进,扩展了SITL与ROS的连接并验证了飞行器与ROS通讯的可行性。为了保证飞行器拥有更好的飞行特性,需要重新整定飞行器的PID控制参数,在完成参数整定后,分析比较了飞行器稳定性、灵敏度的变化,验证了飞行器性能的提升。同时为了避免自主任务规划出错带来的损失,设计了不同的自主控制、任务规划测试实验,通过仿真实验说明了自主任务规划程序的有效性和可靠性,并在此基础上进行了实际飞行实验,进一步地验证了自主任务规划方案的有效性。
【关键词】：六旋翼飞行器 环境感知 自主任务规划 MAVLink通讯协议 SITL仿真
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-12
• 1.1 课题背景及意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-10
• 1.3 本文主要工作10-12
• 2 六旋翼飞行器设计与实现12-28
• 2.1 六旋翼飞行器姿态控制原理12-16
• 2.2 六旋翼飞行平台设计与实现16-23
• 2.2.1 飞行器本体设计16-17
• 2.2.2 控制及通讯模块设计17-20
• 2.2.3 执行及动力模块设计20-23
• 2.3 环境感知系统设计与实现23-28
• 2.3.1 环境感知系统结构23-24
• 2.3.2 电源模块设计24-26
• 2.3.3 环境感知26-28
• 3 自主任务规划28-46
• 3.1 基于ROS的通讯桥连28-33
• 3.1.1 MAVLINK-ROS桥的搭建28-30
• 3.1.2 飞行器与上位机的通讯30-33
• 3.2 任务规划与自主控制33-40
• 3.2.1 自主控制33-37
• 3.2.2 任务规划37-39
• 3.2.3 任务规划约束条件39-40
• 3.3 测试环境构建40-46
• 3.3.1 SITL模拟仿真40-42
• 3.3.2 基于ROS框架的SITL模拟仿真42-43
• 3.3.3 SITL功能验证43-46
• 4 实验结果及分析46-60
• 4.1 飞行稳定性测试及数据分析46-53
• 4.1.1 六旋翼飞行器控制参数调整46-47
• 4.1.2 输入输出测试47-50
• 4.1.3 飞行器稳定性测试50-53
• 4.2 自主任务规划实验验证53-60
• 4.2.1 自主控制实验验证53-55
• 4.2.2 任务规划实验验证55-59
• 4.2.3 自主跟随实验59-60
• 结论60-61
• 参考文献61-63
• 附录A 数据采集系统电源电路图63-64
• 附录B 高度控制解算结构图64-65
• 课题资助情况65-66
• 致谢66-67

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本文编号：1102965