基于局部环境信息的四旋翼无人机轨迹规划研究

发布时间：2020-05-24 18:47

【摘要】：对四旋翼无人机而言,自主飞行能力是其进行自主智能作业的前提,而轨迹规划能力是实现自主飞行的重要基础。在实际的飞行任务中,无人机需要实时应对环境中的未知障碍物,调整飞行轨迹。本文重点针对环境中可能出现的未知障碍物,构建局部地图实现飞行轨迹的在线重规划,以提升四旋翼无人机的自主飞行效率和对未知环境的适应性。本文的研究工作概括如下:一是分析了四旋翼的动力学模型及其在轨迹输出空间满足的微分平坦性质,并以此为基础实现了基于任务多航点的全局参考轨迹规划方法。保证了生成的全局轨迹符合四旋翼的动力学特性,并在多航点间实现状态的平滑切换。二是设计并实现了基于均匀B样条曲线控制点优化的四旋翼局部轨迹规划方法。利用B样条曲线控制点的局部支撑性,实现无人机轨迹的局部调整,并不影响局部轨迹对全局轨迹的收敛性。建立了以样条曲线控制点为优化参数的优化问题,并在目标函数中同时考虑了轨迹的安全性和平滑性,从而生成安全可飞的局部轨迹,并结合实验给出了方法的性能分析。三是搭建了四旋翼轨迹规划仿真和实际飞行测试系统。基于Gazebo仿真环境和ROS操作系统搭建了轨迹规划和跟踪的仿真环境,并基于大疆M100无人机和Guidance视觉传感系统以及机载Intel NUC电脑搭建了实际飞行测试系统。建立了完整的仿真实验-实际飞行测试-数据分析平台。对文中的轨迹规划方法进行了仿真和飞行测试,验证了方法的有效性。综上,针对四旋翼无人机局部轨迹的规划问题,本文构建了包括视觉感知、局部地图构建和轨迹在线优化在内完整的轨迹规划系统,并通过飞行实验验证了方法的有效性。本文设计的基于B样条曲线的轨迹优化方法在时间开销方面具有较好的性能,提升了四旋翼在真实环境下的自主飞行能力。
【图文】：

无人机,旋翼,精准农业

利用该方法可以对果树病害进行快速的早期诊断和病害传播速度的监测。旋翼无人机在农业上的另一个应用是农药的喷洒。国内无人机公司大疆在 2015 年推出了 MG-1 农业植保机（图1 1(c)）。其可以进行精准的农药喷洒，配备的雷达感知系统可以实现前后方向的避障。并可以利用配套的管理平台进行作业规划、实时的飞机管理和工作统计。除了大疆，国内的极飞无人机（图1 1(d)）也是旋翼无人机在植保领域的应用代表。其无人机搭载 RTK 定位系统提供厘米级的高精度定位，最大起飞重量 27kg，，并可以在 1-10m 的作业高度实现 80 亩/小时的农药喷洒作业。旋翼无人机在电力线路、桥梁、建筑物的巡检方面也有着丰富的应用。传统的电力巡检需要人工实施，作业环境比较危险。用四旋翼无人机进行巡检不但保障了人员安— 2 —

无人机,旋翼

行器的数据实现对物流环境的实时检测。无人机可以提供高空视角，因此在航拍领域得到了很大的发展。其中具有代表性的是国内的大疆公司的航拍无人机。图1 3(a)是其中一款消费级的航拍无人机。其搭载云台可以消除因为飞行带来的相机抖动，从而提供较高的拍摄画质。同时，其搭载了后视视觉传感器以及机身两侧的红外传感器，使得其具有４个方向的避障能力以及包含下向的环境感知能力。可以实现预设轨迹飞行、智能跟随目标、指定画面点飞行、自动返航等功能。图1 3(b)是一款专业级航拍无人机。为了得到 360 度的画面，排除无人机脚架对相机的遮挡，其机身可以变形使脚架向上收起。飞行过程中变化的机身结构对该无人机的飞控系统提出了很高的要求。在很多场景下，对无人机的自主性有着很高的要求。其中，轨迹规划能力是无人机自主飞行能力的重要基础。轨迹规划主要解决两个方面的问题：第一是根据执行的任务生成高质量的飞行轨迹供无人机进行跟踪。第二是在飞行过程中遇到突发障碍物的情况，对飞行轨迹进行重规划，以保证飞行的安全。以四旋翼无人机在灾后搜救中应用为例，轨迹规划器一方面需要根据搜救的目标区域生成初始的轨迹供无人机进行跟踪，另一方面
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V249.1

【参考文献】