四旋翼飞行器位置跟踪控制系统的研究

发布时间：2020-03-29 07:24

【摘要】：由于四旋翼飞行器小空间内的机动性能远远好于其他传统飞行器,人们常常将它用在地下、室内、山区等环境中,但这些区域因为卫星信号受到遮挡而无法定位,这就使得四旋翼飞行器的位置跟踪控制显得尤为重要。近几年,得益于机器视觉的发展,基于视觉的定位方法应运而生并受到广泛关注,所以在全球卫星定位系统失效的情况下,基于视觉定位的位置跟踪控制方法也成为解决该问题的方案之一。本文将视觉定位的方法和位置跟踪算法相结合,对四旋翼飞行器的位置跟踪控制进行研究。主要工作如下:首先,对四旋翼飞行器的结构以及飞行原理进行了分析和研究,将四旋翼飞行器假设为刚体并忽略空气阻力等影响因素,依据物理学原理和牛顿-欧拉方程构建出四旋翼飞行器飞行时主要的输入输出的关系,利用机械力学自动分析软件(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems,ADAMS)和数学分析软件MATALAB构建出四旋翼飞行器的联合仿真模型。其次,四旋翼飞行器的位置跟踪控制系统需要准确的定位信息做支撑,定位信息包括姿态角信息和位置信息,其中姿态角信息通过加速度计和角速度传感器采集的信息经过互补滤波融合得到,而位置信息则通过视觉传感器检测得到。再次,在相对精确定位的基础上,对所建立的模型进行解耦分析,设计以姿态环为内环,位置环为外环的位置跟踪控制系统。将姿态PID控制算法和姿态滑模控制算法的控制结果进行比较分析,滑模控制的稳定性高但反应时间较慢;进一步设计出以姿态滑模控制为核心,位置PID控制为外环控制的滑模PID位置跟踪控制算法,通过联合仿真结果可以看出,滑模PID位置跟踪算法的超调量和反应时间优于PID位置跟踪控制算法。最后,为了进一步解决视觉定位存在问题以及改善位置跟踪控制算法的跟踪控制效果,以快速特征点检测算法(Features from Accelerated Segment Test,FAST)为基本再结合旋转不变性特征点检测算法(Scale Invariant Feature Transform,SIFT)进行融合改进,进一步使用改进的去噪特征匹配算法进行位置跟踪。将改进后的视觉匹配算法计算得到的速度信息补偿给所设计的滑模PID位置跟踪控制器使达到目标位置的时速度更快的为0。通过仿真实验验证,带速度补偿的滑模PID位置跟踪控制算法的反应时间更快,抗干扰能力更强。
【图文】：

旋翼飞行器,飞行器

研究背景及意义电子硬件技术和处理器运算能力的发展，各类新型飞行器相继应运而生。是近几年最经典的新型飞行器代表之一，它与传统飞行器相比，，可以在更成低速飞行，垂直起降等高难度飞行任务，所以四旋翼飞行器在军事、民等诸多方面有了广泛的应用拓展，比如完成电力巡检、载人巡查、森林防投递等任务，如图 1.1 所示。随着社会的发展，人们对这些任务的完成标准要求四旋翼飞行器位置跟踪控制的精度越来越高。(a) 电力巡检 (b) 载人巡查

旋翼飞行器

(a) Breguet 兄弟设计的四旋翼飞行器 (b) E.Oemichen 设计的四旋翼飞行器图 1.2 早期的四旋翼飞行器21 世纪初，惯性导航系统技术开始成熟，其重量已经可以搭载在小型无人机上，四旋翼飞行器也正因为惯性导航系统技术开始可以真正的稳定飞行。直到 2004 年，第一台可以能真正意义上稳定飞行的四旋翼飞行器在加拿大雷克海德大学诞生，这也标志着四旋翼飞行器的研究成为新的热点。2009 年俄亥俄州大学航空电子工程中心开发了四旋翼无人机，用作导航传感器测试试验平台。四旋翼飞行器具有高达 10.6 磅的升力能力，为飞行测试新传感器技术提供了便利[1]。2012 年里，很多关于四旋翼飞行器的研究报告相继引起关注，最具代表性的就是宾夕法尼亚大学的 Vijay Kumar 教授在技术设计演讲大会的报告，之后四旋翼飞行器受到各界更多的目光，同时也成为新的商业热点之一。四旋翼飞行器在国内的研究起步相对于国外来说较晚，但是发展速度也和中国高铁速度一样惊人，特别是近两年，中国四旋翼飞行器厂商造的消费级四旋翼飞行器已经走进很多国家，成为各国摄影爱好者的必备工具。同时，国内四旋翼飞行器的研究水平已
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V249;V279

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