无动力落体的运动姿态气动仿真及单相机位姿测量方法研究

发布时间：2020-08-13 11:36

【摘要】：随着相关领域技术的不断发展,无人机精准投送系统具有广阔的应用前景。本文对无人机投送的小型无动力运载器在下落阶段的落体运动与位姿调整过程进行数值计算与理论推导,搭建外部气流仿真测试环境,并设计了一种结合多视图三维重建的单相机视觉测量方法记录运载器的姿态调整过程,对位姿数据进行分析,为今后运载器的空中姿态调整系统设计提供理论和技术依据。本文在与无人机投送系统应用背景相似的机载制导航弹控制理论的基础上,使用有限元数值模拟方法分析了运载器的气动布局与气动参数,建立了六自由度刚体运动数学模型并根据运动特征线性化模型。在此基础上,分析了尾部舵翼的位姿操控可行性,构建用于落体运动位姿调整的运载器试验样机并搭建外部气流仿真测试环境,通过仿真计算估计落体运动的速度区间,设置仿真环境的风速。为了提取样机在测试环境中运动时的位姿变化,本文提出一种结合SfM序列图像三维重建的单相机视觉位姿测量方法。该方法在对PnP解算算法进行分析比较的基础上,使用SfM序列图像三维重建方法获取样机表面三维点云模型;提取样机表面具有尺度不变性与旋转不变性的特征点;结合三维点云模型与SfM序列图像,根据图像投影关系求解特征点的三维坐标;使用鲁棒性位姿估计算法解算当前样机的相对位姿变化。本文使用实验室设备对位姿测量方法的测量精度进行验证,姿态角测量误差在1~o之内,位移测量误差在0.5mm之内。实验结果表明该系统能够应对运动参数测量系统的位姿精度要求,具有一定的实用价值。本文最后进行测试实验,获得样机姿态对舵翼偏角的动态响应数据,分析舵翼的控制特性,为舵翼设计与运载器位姿控制系统的设计提供数据支持;分析了测试系统的误差来源,为今后工作的改进指出方向。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V211
【图文】：

图 1- 1 应用光斑的双目测量系统津大学的研究人员[11]提出了用于测量靶场运动目标姿态与速度的式的双目视觉测量系统。该方法对运动目标的图像序列进行处理图像特征的质心位置，通过图像序列的时间信息获取目标的速度拟合的方法确定目标的轴线，以此为基准求解姿态角参数。姿态角左右。相机视觉系统具有标定简便，结构简单的特点，有广泛的研究与应nglcy 研究中心提出了应用于风洞模型迎角测量的单相机视测量系飞行器模型上布置几何关系已知的光学标志点，使用安装在风洞机提取标志点的图像坐标，分析标志点图像的加载顺序得到迎角法对于不同的模型需要重新标定。西西比大学的研究人员[12]在模型表面设置两个共线的 PIV 反光标机视觉测量方法，采集两个标记点的图像质心位置，获得模型的位相机的角度、位置等参量发生变化的时候，需要重新校准。

学的研究人员[11]提出了用于测量靶场运动目标姿态与速双目视觉测量系统。该方法对运动目标的图像序列进行特征的质心位置，通过图像序列的时间信息获取目标的的方法确定目标的轴线，以此为基准求解姿态角参数。姿。觉系统具有标定简便，结构简单的特点，有广泛的研 研究中心提出了应用于风洞模型迎角测量的单相机视测器模型上布置几何关系已知的光学标志点，使用安装在取标志点的图像坐标，分析标志点图像的加载顺序得到于不同的模型需要重新标定。大学的研究人员[12]在模型表面设置两个共线的 PIV 反觉测量方法，采集两个标记点的图像质心位置，获得模的角度、位置等参量发生变化的时候，需要重新校准。

运载器在自由落体阶段的运动参数，需中，首先分析了无动力运载器的气动布的细节后，使用 ANSYS 流体力学仿真进行气动力学仿真分析；其次基于流体的基本理论，分析了运载器的六自由度点与飞行时的运行状态的限制，对六自的气动布局使用的运载器如图 2- 1 所示。整个运载为三部分：舵机控制部、载物部、视觉运载器的姿态，视觉追踪部有四片前翼

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本文编号：2791951