基于动力学模型辅助的多旋翼飞行器自主容错导航方法
发布时间：2022-01-22 16:46
旋翼无人飞行器体积小、结构简单、易于操控且能垂直起降,近年来被广泛应用于多种领域,例如农药喷洒、公共安全、环境监测、航空拍摄等。导航技术作为旋翼无人飞行器的关键技术,对其应对复杂环境、正常完成任务起着重要作用。然而目前旋翼无人飞行器导航系统的机载惯导所使用的是精度较低的微机电惯性测量元件,其误差会迅速发散,无法单独提供高精度的导航信息,故该导航系统严重依赖全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）提供的定位信息。而随着旋翼无人飞行器的火热以及在各行各业中的深化应用,不可避免地会遇到卫星拒止的情况,如室内环境、城市密集高楼群、峡谷密林等。因此当卫星导航信息受到屏蔽甚至是人为干扰时,需要其他导航系统来辅助提供高精度、可靠、强鲁棒性的导航信息,以提高复杂环境下旋翼飞行器导航系统的精度和自主性。基于上述原因,本文主要针对旋翼飞行器动力学模型开展深入的研究工作,并结合激光雷达同步定位构图（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）技术,提高飞行器在卫星拒止环境下的导航精度和性能。本文首先对目前卫星...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多旋翼无人飞行器常见类型图
基于动力学模型辅助的多旋翼飞行器自主容错导航方，研究人员采用不同的方案来对导航进行辅助，其中一种加速度计陀螺仪惯导旋翼转速传感器 动力学模型滤波器磁力计速度姿态图 1.3 典型的多旋翼飞行器动力学模型辅助导航结构图助导航作为一种新颖的自主导航方法，现处于实验室研究法国 Parrot 公司的 AR.Drone 四旋翼飞行器在进行精确动模型/惯性导航融合方案来进行速度估计[18]。
视觉导航方法有多种，可根据对地图的依赖程度大致上分为基于已知环境地图型、地图构建型、无需地图型三种[26]。如果需要输出精确的定位信息，则主要有视觉里程计(Visual Odometry,VO)[27]、光流法[28]和 SALM[29]三种。但是对于视觉导航技术而言，系统设计比较复杂，成本较高且有效探测距离有限。应用环境也有相应的限制，首先光照条件要充足，其次特征纹理要丰富。而且一般来说视觉导航计算量较大，对机载计算机的性能要求较高，输出频率低，实时性较差，不适用于移动速度较快的载体。总的来说，目前大多数多旋翼无人飞行器采用的导航系统都依赖于 GPS 等卫星导航系统，但是由于卫星信号容易受到干扰且在多种情况下无法使用，为了提高导航系统的适应性与可靠性，动力学模型、激光雷达、视觉传感器等能用于卫星拒止环境下的导航技术不可或缺。例如英国华威大学、美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)和中国 XIRO 公司研制的多旋翼无人飞行器均有使用视觉传感器、激光雷达来提供其在卫星拒止环境下的定位信息，如下图所示。由于视觉导航技术由本课题组其他成员重点开展研究，本文将不再对其进行展开分析。
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光雷达SLAM技术及其在无人车中的应用研究进展[J]. 李晨曦,张军,靳欣宇,李广敬,李强. 北京联合大学学报. 2017(04)
[2]基于计算机视觉的室内自主移动机器人导航综述[J]. 杨春媚,王峰,晋博,汪进,梅琪,邱文添. 电脑知识与技术. 2017(15)
[3]视觉SLAM综述[J]. 权美香,朴松昊,李国. 智能系统学报. 2016(06)
[4]视觉导航技术发展综述[J]. 管叙军,王新龙. 航空兵器. 2014(05)
[5]一套完整的基于视觉光流和激光扫描测距的室内无人机导航系统(英文)[J]. 王飞,崔金强,陈本美,李崇兴. 自动化学报. 2013(11)
[6]面向控制的飞行器气动耦合模型解耦方法研究[J]. 朱多宾,呼卫军,林鹏,周军. 飞行力学. 2013(05)
[7]视觉里程计技术综述[J]. 李宇波,朱效洲,卢惠民,张辉. 计算机应用研究. 2012(08)
[8]MEMS-IMU/GPS组合导航系统中坐标系统一的方法研究[J]. 孔祥雷,李杰,杜英. 传感技术学报. 2010(04)
[9]大规模环境下基于激光雷达的机器人SLAM算法[J]. 武二永,项志宇,沈敏一,刘济林. 浙江大学学报(工学版). 2007(12)
硕士论文
[1]基于Mesh通信网络的四旋翼编队控制平台研究与实现[D]. 程鹏.浙江大学 2017
[2]无人机航迹规划及导航定位系统研究[D]. 王涵.浙江大学 2017
[3]基于改进CKF的移动机器人定位与建图研究[D]. 陶明.安徽工程大学 2016
[4]基于激光LIDAR的室外移动机器人三维定位与建图[D]. 韩明瑞.东南大学 2016
[5]飞行器气动模型辅助惯性导航的关键技术研究[D]. 宋亦凡.南京航空航天大学 2015
[6]基于分布式粒子滤波的SLAM算法研究[D]. 武玫.北京工业大学 2013
[7]惯性/多卫星组合导航系统信息融合及故障检测算法研究[D]. 王春霞.南京航空航天大学 2008
[8]微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究[D]. 聂博文.国防科学技术大学 2006
本文编号：3602551
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多旋翼无人飞行器常见类型图
基于动力学模型辅助的多旋翼飞行器自主容错导航方，研究人员采用不同的方案来对导航进行辅助，其中一种加速度计陀螺仪惯导旋翼转速传感器 动力学模型滤波器磁力计速度姿态图 1.3 典型的多旋翼飞行器动力学模型辅助导航结构图助导航作为一种新颖的自主导航方法，现处于实验室研究法国 Parrot 公司的 AR.Drone 四旋翼飞行器在进行精确动模型/惯性导航融合方案来进行速度估计[18]。
视觉导航方法有多种，可根据对地图的依赖程度大致上分为基于已知环境地图型、地图构建型、无需地图型三种[26]。如果需要输出精确的定位信息，则主要有视觉里程计(Visual Odometry,VO)[27]、光流法[28]和 SALM[29]三种。但是对于视觉导航技术而言，系统设计比较复杂，成本较高且有效探测距离有限。应用环境也有相应的限制，首先光照条件要充足，其次特征纹理要丰富。而且一般来说视觉导航计算量较大，对机载计算机的性能要求较高，输出频率低，实时性较差，不适用于移动速度较快的载体。总的来说，目前大多数多旋翼无人飞行器采用的导航系统都依赖于 GPS 等卫星导航系统，但是由于卫星信号容易受到干扰且在多种情况下无法使用，为了提高导航系统的适应性与可靠性，动力学模型、激光雷达、视觉传感器等能用于卫星拒止环境下的导航技术不可或缺。例如英国华威大学、美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)和中国 XIRO 公司研制的多旋翼无人飞行器均有使用视觉传感器、激光雷达来提供其在卫星拒止环境下的定位信息，如下图所示。由于视觉导航技术由本课题组其他成员重点开展研究，本文将不再对其进行展开分析。
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光雷达SLAM技术及其在无人车中的应用研究进展[J]. 李晨曦,张军,靳欣宇,李广敬,李强. 北京联合大学学报. 2017(04)
[2]基于计算机视觉的室内自主移动机器人导航综述[J]. 杨春媚,王峰,晋博,汪进,梅琪,邱文添. 电脑知识与技术. 2017(15)
[3]视觉SLAM综述[J]. 权美香,朴松昊,李国. 智能系统学报. 2016(06)
[4]视觉导航技术发展综述[J]. 管叙军,王新龙. 航空兵器. 2014(05)
[5]一套完整的基于视觉光流和激光扫描测距的室内无人机导航系统(英文)[J]. 王飞,崔金强,陈本美,李崇兴. 自动化学报. 2013(11)
[6]面向控制的飞行器气动耦合模型解耦方法研究[J]. 朱多宾,呼卫军,林鹏,周军. 飞行力学. 2013(05)
[7]视觉里程计技术综述[J]. 李宇波,朱效洲,卢惠民,张辉. 计算机应用研究. 2012(08)
[8]MEMS-IMU/GPS组合导航系统中坐标系统一的方法研究[J]. 孔祥雷,李杰,杜英. 传感技术学报. 2010(04)
[9]大规模环境下基于激光雷达的机器人SLAM算法[J]. 武二永,项志宇,沈敏一,刘济林. 浙江大学学报(工学版). 2007(12)
硕士论文
[1]基于Mesh通信网络的四旋翼编队控制平台研究与实现[D]. 程鹏.浙江大学 2017
[2]无人机航迹规划及导航定位系统研究[D]. 王涵.浙江大学 2017
[3]基于改进CKF的移动机器人定位与建图研究[D]. 陶明.安徽工程大学 2016
[4]基于激光LIDAR的室外移动机器人三维定位与建图[D]. 韩明瑞.东南大学 2016
[5]飞行器气动模型辅助惯性导航的关键技术研究[D]. 宋亦凡.南京航空航天大学 2015
[6]基于分布式粒子滤波的SLAM算法研究[D]. 武玫.北京工业大学 2013
[7]惯性/多卫星组合导航系统信息融合及故障检测算法研究[D]. 王春霞.南京航空航天大学 2008
[8]微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究[D]. 聂博文.国防科学技术大学 2006
本文编号：3602551
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