基于视觉信息的四旋翼飞行器控制系统设计

发布时间：2020-07-11 10:06

【摘要】：在过去的十几年里,无人机在民用和军用领域的飞速发展显示了其未来发展的潜能,无人机相对于有人驾驶的飞机,特别是安全和成本方面具有很多突出的优点,如在对敌人监视,战场侦探或者一些危险区域的军事行动上,无人机代替人类飞行员承受了风险,另外小型的无人机通常因为生产、维护、运营方便容易,降低了其成本,无人机的成功应用包括监视、侦察、战场评估、目标跟踪和监测、搜救、流量监测和管道检查等。四旋翼飞行器在飞行过程中通常依赖自身的GPS传感器来实时估算位置和速度信息,而当无人机需要在室内或者比较封闭的环境中执行任务时,GPS信号可能很弱或者消失,这将使无人机对环境及自身的感知能力变差,影响其稳定飞行。基于此,本文首先搭建了一套搭载视觉传感器四旋翼硬件系统,然后设计了一套稳定的控制算法,实现了四旋翼飞行器自主稳定地飞行,最后设计了一种基于视觉信息输入的四旋翼飞行器速度跟踪飞行控制,与超声波传感器信息融合实现了四旋翼飞行器的自主定高跟随飞行。本文以四旋翼飞行器为平台,主要针对GPS信号弱的情况下,基于视觉信息的四旋翼飞行器稳定飞行问题进行研究,主要研究内容如下:1)建立了四旋翼飞行器的数学模型以及运动学模型,摄像头固定在机身的正下方,四旋翼的运动方程即为相机的运动方程,正常飞行过程中目标物始终在摄像头的中心,然而四旋翼飞行器姿态变化会导致目标物偏离中心位置,从而产生误判,本文建立了一个虚拟的相机平面,解决了误判问题;2)滑模控制的对象及对象的参数与外界干扰无关,所以鲁棒性更强。然而,传统的滑模控制算法会在控制过程中由于不连续的切换特性而引起系统抖动,从而导致飞行器不稳定。针对这一问题,本章设计了基于PID滑模面的二阶滑模控制算法,对飞行器飞行位置、姿态进行控制,并与经典的PID控制器和滑模控制器进行了比较。通过仿真分析发现与常规的二阶滑模控制算法相比,本文所提算法响应时间更短,调节速度更快,稳定性更强。3)选择合适的传感器,搭建四旋翼飞行器的实物平台,针对所设计的算法移植到四旋翼飞行器的硬件平台上,通过上位机软件实现一键起飞、降落、自主跟踪的功能,通过虚拟示波器对实际飞行的数据进行采集,实验结果证明无论目标物是否运动,四旋翼飞行器都能够稳定地飞行并悬停在其上方。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V249.1
【图文】：

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吉林大学硕士学位论文四旋翼飞行器因为其独有的优点，一个多世纪以来，无论在企业还是科研机构都得到了广泛的应用。最早将控制算法应用到飞行器上，并试飞成功的是美国RC 公司生产的 Draganflyer 系列的遥控飞行器[2]，如图 1.1 所示。Draganflyer 配备先进的惯性测量单元和可靠的飞行控制系统。悬停，低速巡航，航拍等飞行任务均通过遥控器完成。Draganflyer 直升机不仅面向玩家，还为研究四旋翼飞行器的研究人员提供了二次开发模式。许多大学的研究人员正在现有 Draganflyer飞机的基础上开展研究，并对控制算法、姿态测量、无线通信和多机协作进行更深入的研究。

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图 1.3 Solo 无人机图 1.4 M100控制及图传技术作为技术的核心未对外开放，但是有一款 M100 四旋翼无人飞行器可以作为平台进行二次开发，如图 1.4，可以通过串口发送控制指令给飞行控制器。2017 年的大疆精灵 4 除了携带高清摄像头进行航拍以外，还考虑到无GPS 环境下的问题，在四旋翼无人飞行器的机身前，后方及底部均配备了双目视觉传感器，在飞行过程中根据视觉信息可以实现定位悬停，见图 1.5(a)。同年生产的另一款无人机御（MAVIC）专门针对航拍爱好者设计，图像传输距离高达 7 公里，配备双目立体视觉环境感知系统可以检测到前方 15 米内的物体，携带 4K 高清相机和三轴机械云台，见图 1.5(b)。

【参考文献】