敏捷飞行器未知室内探索与机动控制方法

发布时间：2017-08-02 09:02

  本文关键词：敏捷飞行器未知室内探索与机动控制方法

  更多相关文章： 敏捷飞行器 边界效应 动力补偿 机动控制 未知室内环境 自主障碍探测 路径规划

【摘要】：敏捷飞行器，这类飞行器小巧、灵活，它们体积小、质量轻、机动性好，可实现垂直起降，特别适合在近地面环境中执行侦察、监视和目标捕获及更高层任务，同时也是执行室内复杂任务的首选。而大范围复杂室内环境内的敏捷飞行器的快速灵活机动问题一直未能得到很好解决，也成为限制敏捷飞行器实现侦察、监视和目标捕获及更高层应用的主要瓶颈之一。本文更侧重于关注类似小型四旋翼飞行器这样的一类敏捷飞行器在未知室内探索与快速机动问题。围绕这个问题，论文主要从以下几方面开展研究： 首先，分析了敏捷飞行器的机体构造与飞行原理，使用Newton-Euler法，建立了飞行器的六自由度非线性动力学模型及用四元数表示的飞行器绕质心转动运动学模型。进一步分析飞行器动力系统的特性，将动力系统细分为电机-螺旋桨、电子调速器、电池三个部分，并逐一对三个部分进行建模分析，最终建立了动力系统的非线性模型。 在数学模型建立完成后，设计并实现了适用于敏捷飞行器的飞行控制器。并在此基础上，搭建了研究所需的四旋翼飞行器系统研究平台，并对其内部飞行控制算法进行重新设计，使其能满足自主飞行控制的需要。针对飞行器动力系统的数学模型中需要求解的待定系数，设计了综合测试台。利用该测试台，设计了与动力系统模型相关的实验，通过实验数据确定了动力系统模型中的待定参数。到此，为后续研究奠定了理论和实验基础。 其次，提出了一种基于PC-BEPS模型的精确位姿控制方法。利用所设计的综合测试台对动力系统特性及边界效应进行实验与分析。实验发现，在电池的有效工作时间内，动力系统输出推力随电池电压下降比例达到约20%。特别是在电池的有效工作时间的后半段，动力系统的这种能源特性将严重影响飞行控制性能。而边界效应可以使得飞行器动力系统的输出推力增加，其增效最高可达33%。因此，结合实验和分析结果，建立PCPS（动力系统的能源特性）补偿模型和BEPS（动力系统的边界效应）模型，将其应用于姿态和高度控制器中，削弱了动力系统的能源特性并且补偿了边界效应影响。为了解决控制器中关于推力估计的问题，在悬停状态下，设计了观测器对悬停状态下推力进行估计。仿真实验表明，所设计的推力估计方法，在悬停状态下可以有效地估计推力；并且所设计的控制方法不仅削弱了动力系统的能源特性，而且可以有效利用边界效应的动力增效功能，提升飞行器的有效工作时间，有效工作时间增加近一倍。 第三，提出了一种基于DI-DSMC的非线性机动飞行控制方法，实现飞行器的大曲率高状态变化率的机动飞行。借助四元数表示的飞行器系统模型，通过选取切换函数，并构造了新的积分滑模面，设计了DSMC（动态滑模控制）反馈控制器。该控制器对系统模型参数摄动和干扰不灵敏，同时消除了传统滑模中切换函数引起的系统抖振现象。在此基础上，利用基于李导数的逆系统设计方法，设计了四元数表示的飞行器系统的DI（动态逆）系统，并使用该逆系统的输出作为前馈补偿，改善了系统的动态响应速度，实现了解耦，削弱了系统的非线性程度。最后，通过仿真实验证明，所设计的非线性机动飞行控制方法，实现了飞行器对大角度输入的快速跟踪，从而使飞行器具备了大曲率高状态变化率的机动飞行能力。 最后，针对未知室内环境中的定位问题，实现了采用激光扫描测距仪替代GPS与惯性导航系统协同的激光辅助惯性导航方法。实物实验证明，所实现的导航算法可以帮助飞行器进行有效地位置控制；进一步地，，根据室内未知环境特性，设计了一种LAMOV-AOD（激光辅助的单目视觉自主障碍探测）系统，并在所设计系统的基础上，提出了用于自主障碍探测的LOLE-AC（弱光增强自适应）算法和DEOA（避障距离估计）算法。实物实验证明，LAMOV-AOD系统可以有效地识别障碍，甚至是在一定程度的弱光环境下；在此基础上，分别针对静态部分未知环境和静态未知环境两种情况，借助LAMOV-AOD系统，提出了SEB-LDPRM（基于传感器的局部动态概率地图）和SEB-DLPA*（基于传感器的动态终生规划A*）路径规划方法。仿真实验表明，所设计路径规划方法可以有效地根据传感器信息进行在线路径规划与重规划。
【关键词】：敏捷飞行器 边界效应 动力补偿 机动控制 未知室内环境 自主障碍探测 路径规划
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-12
• 表目录12-13
• 图目录13-17
• 缩略词表17-18
• 第1章 绪论18-32
• 1.1 无人机系统概述18-20
• 1.2 国内外相关领域研究进展20-28
• 1.2.1 室内机动飞行20-25
• 1.2.2 室内导航方法25-26
• 1.2.3 室内路径规划26-28
• 1.3 本文所关注问题28-29
• 1.4 论文章节安排29-31
• 1.5 本章小结31-32
• 第2章 四旋翼飞行器系统建模32-47
• 2.1 飞行器系统工作原理32-34
• 2.2 飞行器系统动力学建模34-41
• 2.2.1 地面坐标系 G34
• 2.2.2 机体坐标系 B34-35
• 2.2.3 坐标之间的关系35
• 2.2.4 飞行器动力学方程35-39
• 2.2.5 飞行器运动学方程39
• 2.2.6 四元数表示的绕质心转动运动学方程39-41
• 2.3 动力系统建模41-46
• 2.3.1 电机-螺旋桨模型42-43
• 2.3.2 电子调速器模型43
• 2.3.3 电池模型43-44
• 2.3.4 动力系统模型44-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第3章 四旋翼飞行器系统研究平台设计47-69
• 3.1 飞行控制器47-58
• 3.1.1 飞行控制器需求分析47-48
• 3.1.2 飞行控制器总体结构框架48-49
• 3.1.3 飞行控制器硬件设计49-55
• 3.1.4 飞行控制器软件设计55-58
• 3.2 飞行器研究平台58-61
• 3.3 飞行器综合测试台61-63
• 3.4 动力系统模型参数估计实验63-67
• 3.4.1 电机与电调模型实验设计64-65
• 3.4.2 电池模型实验设计65-67
• 3.4.3 动力系统模型参数67
• 3.5 本章小结67-69
• 第4章 基于 PC-BEPS 模型的精确位姿控制方法69-97
• 4.1 PCPS 补偿模型建模与分析69-71
• 4.2 BEPS 模型建模与分析71-74
• 4.3 基于 PC-BEPS 模型的控制算法74-75
• 4.4 悬停状态下的推力估计方法75-83
• 4.4.1 简化飞行器系统模型与动力系统模型76-79
• 4.4.2 控制输入与推力间的线性关系79-81
• 4.4.3 Luenberger 观测器81-83
• 4.5 实验与分析83-95
• 4.5.1 动力系统测试83-84
• 4.5.2 控制仿真实验84-92
• 4.5.3 推力估计实验92-95
• 4.6 本章小结95-97
• 第5章 基于 DI-DSMC 的非线性机动飞行控制方法97-113
• 5.1 滑模控制设计方法97-100
• 5.1.1 滑模原理97-98
• 5.1.2 动态滑模控制方法98-100
• 5.2 逆系统设计方法100-102
• 5.3 参考模型102-103
• 5.4 DI-DSMC 非线性控制器设计103-108
• 5.4.1 DSMC 反馈通道设计103-105
• 5.4.2 DI 前馈通道设计105-108
• 5.4.3 姿态非线性控制系统设计108
• 5.5 仿真与分析108-112
• 5.6 本章小结112-113
• 第6章 未知室内环境中的定位与路径规划113-156
• 6.1 激光辅助惯性导航113-122
• 6.1.1 导航算法114-115
• 6.1.2 tinySLAM115-118
• 6.1.3 坐标系转换关系118-119
• 6.1.4 实验与分析119-122
• 6.2 基于 LAMOV 的飞行器自主障碍探测122-135
• 6.2.1 LAMOV 系统及激光测距原理123-124
• 6.2.2 LOLE-AC 算法124-129
• 6.2.3 DEOA 算法129-130
• 6.2.4 实验与分析130-135
• 6.3 基于 SEB-LDPRM 的静态部分未知环境路径规划135-146
• 6.3.1 规划空间表示方法135-136
• 6.3.2 PRM 算法136-137
• 6.3.3 SEB-LDPRM 算法137-143
• 6.3.4 仿真与分析143-146
• 6.4 基于 SEB-DLPA*的静态未知环境路径规划146-155
• 6.4.1 A*算法146-147
• 6.4.2 LPA*算法147-150
• 6.4.3 SEB-DLPA*算法150-152
• 6.4.4 仿真与分析152-155
• 6.5 本章小结155-156
• 结论与展望156-159
• 参考文献159-168
• 附录 A168-175
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单175-177
• 致谢177-179
• 作者简介179

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 第五鹏杰;杨树兴;;微小型多旋翼飞行器的非线性建模研究[J];兵工自动化;2012年06期

2 高峰;张雪锋;季学武;;考虑定子电阻的无刷电机换相转矩脉动抑制[J];电机与控制学报;2010年10期

3 陈凤东;洪炳昒;;基于特征地图的移动机器人全局定位与自主泊位方法[J];电子学报;2010年06期

4 王忠善;何欣;付亮亮;;基于超声测距特征提取的移动机器人EKF SLAM研究[J];光机电信息;2010年07期

5 陈向坚;李迪;续志军;苏东风;;四旋翼微型飞行器的区间二型模糊神经网络自适应控制[J];光学精密工程;2012年06期

6 吴成富;刘小齐;袁旭;;四旋翼无人机建模及其PID控制律设计[J];电子设计工程;2012年16期

7 李杰;齐晓慧;韩帅涛;;基于自抗扰技术的四旋翼姿态解耦控制方法[J];电光与控制;2013年03期

8 吴成富;刘小齐;马松辉;;四旋翼无人机建模及其四元数控制律设计[J];飞行力学;2013年02期

9 陈小龙;唐强;车军;刘林;;基于人工视觉的四旋翼飞行器室内定位与控制[J];兵工自动化;2012年05期

10 曹梦龙;崔平远;;基于P-L特征提取的SLAM地图构建算法[J];哈尔滨工业大学学报;2009年01期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 林睿;基于图像特征点的移动机器人立体视觉SLAM研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

2 王文斐;面向室内动态环境的机器人定位与地图构建[D];浙江大学;2011年

3 熊蓉;室内未知环境线段特征地图构建[D];浙江大学;2009年

本文编号：608469