微型旋翼无人机航迹规划与航迹跟踪控制系统设计

发布时间：2017-04-14 13:12

  本文关键词：微型旋翼无人机航迹规划与航迹跟踪控制系统设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,随着微型旋翼无人机在日常生活中的广泛运用,人们对其飞行作业时的自主性与安全性提出了更高的要求。然而,微型旋翼无人机目前正处于可变权限自主控制阶段,离真正意义上的自主控制还有一定的差距,其中自动航迹规划与自主跟踪控制是实现无人机自主化的两个关键技术。本文详细阐述了基于微型四旋翼飞行器平台的航迹规划与航迹跟踪控制系统设计实现的全过程:从实际任务需求分析入手,提出系统设计的目标,接着对航迹规划与航迹跟踪控制算法进行了详细地分析并完成了航迹规划与跟踪控制器设计;然后搭建了微型四旋翼飞行器自主飞行控制实验平台,并在该平台上开发完成了航迹规划软件、自主航点跟踪飞行控制软件以及飞行器与地面航迹规划系统的数据通信链路设计与实现;最后通过自主避障飞行实验对本文中所设计的航迹规划与航迹跟踪系统进行实验验证。主要包含以下几个方面的工作:(1)根据微型旋翼无人机实际飞行环境,机动性能及任务需求,提出动态航迹规划的设计要求,把实际环境中的障碍物抽象成多面体和线形两种障碍模型约束,地形回避采用不规则三角网格模型约束以及用圆的外接正方形对飞行器间避撞进行约束。通过引入决策变量把上述约束统一到混合整数线性规划的框架下,采用滚动时域策略求解以燃油最省、距离最短为目标函数的多目标优化问题,实现动态航迹规划。然后将该优化问题描述为AMPL标准数学模型语言,运用数学求解软件CPLEX求解,并基于GoogleEarth进行规划任务获取。(2)从四旋翼飞行器的基本结构和原理分析入手,通过引入期望的俯仰和滚转角两个虚拟控制量,将欠驱动的航迹跟踪控制系统变成全驱动的控制系统,并采用内环姿态、外环位置的控制结构进行航迹跟踪控制器设计。根据实际飞行情况,对四旋翼飞行器数学模型进行合理简化,将姿态动力学模型解耦成线性化小扰动模型,并基于此模型设计了姿态PD控制器,将位置动力学模型控制量进行等价变换,实现控制量的解耦,基于有界控制理论设计了位置控制器。(3)为了对所设计的航迹规划与航迹跟踪控制系统可行性进行实验验证,搭建了基于微型四旋翼飞行器的综合系统实验平台。然后基于此平台完成了航迹规划软件和自主航点跟踪飞行控制软件的开发以及飞行器与地面航迹规划系统数据通信的设计与实现。(4)通过实际飞行控制实验对所设计的航迹规划和控制算法的可行性以及综合控制系统软硬件实验平台的有效性进行实验验证。主要进行了在已知实际环境障碍物数据条件下的动态航迹规划算法验证;微型四旋翼飞行器自主飞行控制性能测试;已知环境障碍数据条件下的自主避障飞行实验。
【关键词】：微型旋翼无人机 航迹规划 航迹控制 PD控制器 混合整数线性规划
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 课题的研究背景及意义12-13
• 1.2 旋翼无人机的发展及运用13-15
• 1.3 旋翼无人机相关技术研究现状15-17
• 1.3.1 无人机航迹规划15-16
• 1.3.2 无人机航迹跟踪控制16-17
• 1.4 选题依据及研究方向与进展17-19
• 1.5 主要研究内容及结构安排19-20
• 第二章 旋翼无人机相关基础知识概述20-29
• 2.1 旋翼飞行器特点20-21
• 2.2 飞行器运动状态描述21-23
• 2.2.1 基本坐标系及运动参数21-22
• 2.2.2 坐标系间相互变换22-23
• 2.3 航迹规划基础知识23-25
• 2.3.1 数字地图技术23-25
• 2.3.2 无人机性能约束25
• 2.4 经典航迹规划算法原理25-28
• 2.4.1 Voronoi图法25-26
• 2.4.2 A* 算法26-27
• 2.4.3 人工势场法27
• 2.4.4 蚁群算法27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 旋翼无人机航迹规划算法研究与设计29-40
• 3.1 航迹规划总体设计思路29-30
• 3.2 MILP航迹规划约束集建模30-37
• 3.2.1 无人机动态性能约束30-32
• 3.2.2 障碍物回避约束32-34
• 3.2.3 地形回避约束34-36
• 3.2.4 多机避撞约束36
• 3.2.5 决策指令约束36-37
• 3.3 MILP的航迹规划算法实现37-39
• 3.3.1 单机动态航迹规划37-38
• 3.3.2 多机协同航迹规划38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第四章 微型四旋翼航迹跟踪控制器设计40-57
• 4.1 四旋翼无人机飞行原理40-42
• 4.2 微型四旋翼数学模型42-44
• 4.2.1 姿态动力学模型42-43
• 4.2.2 平移动力学模型43
• 4.2.3 旋翼动态模型43-44
• 4.3 微型四旋翼航迹跟踪控制器设计44-50
• 4.3.1 控制器总体设计44-46
• 4.3.2 内环姿态控制器设计46-48
• 4.3.3 外环位置跟踪控制器设计48-50
• 4.4 航迹跟踪控制器仿真验证及结果分析50-56
• 4.4.1 姿态控制器仿真结果分析51-53
• 4.4.2 离散航点跟踪控制仿真结果分析53-54
• 4.4.3 连续航迹跟踪控制仿真结果分析54-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 基于四旋翼平台的综合系统硬件集成与软件实现57-71
• 5.1 系统功能需求分析57-58
• 5.2 系统总体设计58-59
• 5.3 综合系统硬件平台简介59-64
• 5.3.1 四旋翼自主飞行控制系统59-62
• 5.3.2 数据通信链路62-63
• 5.3.3 地面控制站及人工干预63
• 5.3.4 软件开发平台63-64
• 5.4 综合系统软件设计64-70
• 5.4.1 航迹规划软件设计64-66
• 5.4.2 自主飞行控制软件设计66-69
• 5.4.3 通信数据链设计69-70
• 5.5 本章小结70-71
• 第六章 综合系统实验验证71-84
• 6.1 系统验证概述71
• 6.2 基于MILP的航迹规划实现71-74
• 6.2.1 单机避障航迹规划71-73
• 6.2.2 多机协同航迹规划73-74
• 6.3 微型四旋翼自主飞行控制实验74-80
• 6.3.1 飞行器状态估计74-76
• 6.3.2 姿态跟踪控制测试76
• 6.3.3 速度跟踪控制76-77
• 6.3.4 定点悬停抗扰动测试77-78
• 6.3.5 航点跟踪飞行实验78-80
• 6.4 自主避障飞行实验80-83
• 6.4.1 飞行实验环境描述80-81
• 6.4.2 飞行实验内容81-82
• 6.4.3 自主避障飞行实验82-83
• 6.5 本章小结83-84
• 第七章 总结与展望84-86
• 7.1 主要工作及贡献84-85
• 7.2 未来研究展望85-86
• 致谢86-87
• 参考文献87-92
• 攻硕期间取得的研究成果92-93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 苏丙末,曹云峰,陈欣,万胜;基于BACKSTEPPING的无人机飞控系统设计研究[J];南京航空航天大学学报;2001年03期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 岳基隆;四旋翼无人机自适应控制方法研究[D];国防科学技术大学;2010年

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本文编号：306072