室内环境下四轴飞行器的自主飞行控制研究

发布时间：2020-03-23 12:59

【摘要】：依托于传感器技术、微电子技术、滤波理论的发展以及自动控制技术在飞行器上的广泛应用,四轴飞行器的研究得到了迅速的推进,目前在室外环境已经有了许多成熟的应用。针对四轴飞行器室内环境下的自主飞行控制问题,研究学者们相继展开研究,并取得了一些成果。本文围绕室内环境下四轴飞行器的自主飞行控制需求,将整体分为飞行控制系统和室内自主导航系统两部分,设计了基于二维激光雷达的四轴飞行器整体系统方案,完成了系统的软硬件设计,最终实现了四轴飞行器在室内环境下的姿态控制、位置控制、自主导航探索等功能。飞行控制系统是四轴飞行器能够稳定飞行的基础,本文的飞行控制系统主要包括姿态控制器和位置控制器两部分,均使用串级PID方法设计。其中姿态控制器的第一级为三轴姿态角度控制器,第二级为三轴姿态角速度控制器;位置控制器的第一级为三维位置控制器,第二级为三维速度控制器。室内自主导航系统是四轴飞行器在室内环境下能够自主飞行的核心,本文设计了一种基于二维激光雷达的未知环境自主探索方案。本方案使用Hector Mapping(赫克托建图)算法,完成了室内飞行环境的二维栅格地图构建;基于此环境地图、雷达二维点云数据以及上一帧位姿,构造最小二乘问题,估计当前位姿;通过设计自主确定目标点的策略,使自主导航系统可以引导四轴飞行器自主探索室内未知环境;同时,针对四轴飞行器实际飞行情况,使用优化的A*路径规划算法,规划出一条安全可靠的飞行路径。最后,本文对上述四轴飞行器整体系统方案设计了一系列的实验,包括飞行控制系统性能实验和室内自主导航系统实验,验证了本文室内环境下自主飞行控制系统的稳定性和有效性,同时,进行了本文工作总结及未来研究展望。
【图文】：

团队,飞行器

电子科技大学硕士学位论文动控制技术在各个领域的广泛应用，，四轴飞行器再次回到研究学者们的并且更加趋于小型化、智能化。美国宾夕法尼亚大学 Kumar 教授团队在四轴飞行器领域取得了丰富的研该团队目前研究的全自主导航四轴飞行器，可用在室内外三维复杂环境进救援、和精准农业等。通过搭载三维激光雷达，该团队实现利用微型飞行管道等关键基础设施进行自主检查。此外，依照仿生学原理给飞行机器人爪，该团队实现了飞行器对物体的抓取；并且结合 3D 打印技术，研发出25 克但具有更高灵敏度的 3D 图形绘制微小型飞行器[8,9]。Kumar 教授团队如图 1-1 所示：

飞行控制,北航,可靠性

图 1-1 Kumar 教授团队部分成果澳大利亚塔斯马尼亚大学（University of Tasmania）的 Arko Lucieer 教授团用无人机平台搭载三维激光雷达进行森林环境的高空测绘，用于环境分析[10]。国内高校对四轴飞行器的研究起步较晚，目前尚处于跟进研究阶段，虽与国进水平仍存在一定的差距，亦取得了许多理论和应用上的革新和突破。北京航天航空大学可靠飞行控制研究组研究了鲁棒姿态估计系统[11]、多旋飞行控制可靠性、故障预测与健康管理[12]等，如下图 1-2 所示：
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V249.1

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