多旋翼无人直升机目标跟踪控制技术研究

发布时间：2017-08-16 10:24

  本文关键词：多旋翼无人直升机目标跟踪控制技术研究

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【摘要】：近年来,多旋翼无人直升机因其结构简单、飞行稳定等特点,在军用和民用领域已有较为广泛的应用。随着无人机技术的发展,对多旋翼无人直升机的自主性提出了更高的要求。本文以小型多旋翼无人直升机为试验平台,围绕自主跟踪指定目标这一要求,设计了一套多旋翼无人直升机目标跟踪控制系统。首先,根据四旋翼无人直升机的飞行原理,建立了数学模型,并设计了基于PID算法的姿态回路和轨迹回路控制律。通过仿真验证了控制策略的有效性,该控制律满足在工程实现中对轨迹控制的需求。其次,以实现目标跟踪和自主飞行控制功能为目标,提出了硬件总体方案;为提高图像处理的效率,重点设计了基于机载图像处理器的硬件模块选型以及通信接口;同时,给出了飞控系统的主控模块、传感器模块和避障模块的设计;另外,为保护整合后的系统硬件,提出了多旋翼无人直升机安全飞行措施。然后,设计了基于系统硬件的多旋翼无人直升机目标跟踪控制系统软件总体流程;按照功能需求,重点设计了基于Hu矩匹配的目标识别功能和基于轨迹预测的目标跟踪功能;同时,为提高系统的自主性,设计了一键自主起飞、自主避障等功能模块;完成了模块之间的通信协议设计。最后,将系统的硬件部分和软件部分整合,对系统的自主飞行和目标跟踪功能进行了试飞验证。实验结果表明,本文所设计的多旋翼无人直升机目标跟踪控制系统具有稳定的自主飞行能力,同时可实现对运动目标的高精度实时跟踪,具有较好的系统可靠性,对不同的多旋翼无人机机型具有普适性。
【关键词】：多旋翼无人直升机 机载图像处理 目标跟踪 自主避障 飞行控制
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-20
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外技术现状分析14-19
• 1.2.1 多旋翼无人直升机研究现状14-17
• 1.2.2 目标跟踪技术研究现状17-19
• 1.3 本文研究内容19-20
• 第二章 四旋翼无人直升机建模与控制律设计20-31
• 2.1 四旋翼无人直升机飞行动力学模型的建立20-25
• 2.1.1 四旋翼无人直升机飞行原理20-22
• 2.1.2 四旋翼无人直升机动力学建模22-25
• 2.2 四旋翼无人直升机控制律设计25-30
• 2.2.1 姿态回路控制律设计25-27
• 2.2.2 轨迹回路控制律设计27-28
• 2.2.3 仿真结果分析28-30
• 2.3 本章小结30-31
• 第三章 多旋翼无人直升机目标跟踪及控制系统硬件设计31-52
• 3.1 系统硬件方案总体设计31-34
• 3.1.1 系统硬件模块化设计思路31-32
• 3.1.2 系统硬件总体结构32-34
• 3.2 目标跟踪系统硬件设计及选型34-37
• 3.2.1 图像采集模块选型34-35
• 3.2.2 视觉机载处理模块选型及分析35-36
• 3.2.3 目标跟踪模块通信及电源设计36-37
• 3.3 飞控系统硬件设计及选型37-51
• 3.3.1 主控制器模块选型及分析37-39
• 3.3.2 位姿传感器模块选型及电路设计39-46
• 3.3.3 避障传感器选型及设计46-50
• 3.3.4 执行机构选型及安全飞行措施50-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第四章 多旋翼无人直升机目标跟踪及控制系统软件设计52-65
• 4.1 系统软件方案总体设计52-53
• 4.2 目标识别定位软件设计53-58
• 4.2.1 目标识别定位原理及分析53-55
• 4.2.2 目标识别定位程序设计55-57
• 4.2.3 图像处理模块与飞控系统通信设计57-58
• 4.3 飞控系统软件开发设计58-64
• 4.3.1 一键起降程序设计58-59
• 4.3.2 基本飞行模式程序设计59-60
• 4.3.3 目标跟踪算法及程序设计60-62
• 4.3.4 自主避障原理及程序设计62-64
• 4.4 本章小结64-65
• 第五章 多旋翼无人直升机目标跟踪控制系统飞行验证及分析65-79
• 5.1 多旋翼无人直升机自主飞行实验及分析65-71
• 5.1.1 自主起飞实验及分析65-67
• 5.1.2 自主避障实验及分析67-71
• 5.2 多旋翼无人直升机目标跟踪实验及分析71-77
• 5.2.1 静态目标跟踪实验及分析72-74
• 5.2.2 移动目标跟踪实验及分析74-77
• 5.3 本章小结77-79
• 第六章 总结与展望79-80
• 6.1 本文工作总结79
• 6.2 后续研究展望79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-85
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文85-86

【参考文献】

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本文编号：682755