“牧羊”旋翼无人机控制策略研究及实现

发布时间：2017-08-18 15:09

  本文关键词：“牧羊”旋翼无人机控制策略研究及实现

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【摘要】：旋翼无人机因其飞行灵活、安全性好等独特性能,使其在目标搜索与目标跟踪控制等方面发挥着重要作用,旋翼无人机依靠机载传感器完成跟踪控制任务也逐渐成为研究热点。本文以国际空中机器人大赛第7代任务为背景,主要研究复杂环境下自主旋翼无人机对地运动目标控制策略,旋翼无人机通过机载传感器搜索地面目标,跟踪并控制地面目标,同时躲避移动障碍物。首先,为了提高比赛效率,减少飞行危险,搭建了基于分布式体系结构的牧羊任务真实环境仿真平台。在分析比赛规则和系统需求的基础上,确定了仿真平台功能;建立了地面运动目标和障碍物运动模型;结合OpenGL支持跨平台编程的优点搭建了牧羊仿真平台并分析了仿真平台的技术特点。其次,针对无人机多耦合、欠驱动、非线性的特点建立了无人机的动力学模型,并且基于PID控制算法设计了无人机双环PID控制器:内环姿态控制和外环位置控制。悬停实验和循迹实验验证双环PID控制算法能够保证旋翼无人机的稳定飞行,达到完成比赛任务具备的条件。再次,提出一套基于视觉信息的旋翼无人机对地运动目标控制策略。针对地面多目标问题研究了基于分区决策树的多目标分类方法,通过对多目标分类确定被跟踪目标;针对视觉跟踪可能丢失目标的问题,设计基于目标轨迹预测与变高搜索跟踪的旋翼无人机对地目标跟踪策略;针对比赛快速准确拦截地面目标的要求,设计基于地面目标和旋翼无人机运动学模型的无人机拦截策略;针对传统人工势场法避障效果差的问题设计了基于改进人工势场法和切线绕圆法的无人机避障策略,并通过实验验证该方法的有效性。最后,对控制策略进行仿真和飞行实验验证。基于牧羊仿真平台以及牧羊控制系统平台进行跟踪控制仿真实验和实际飞行控制实验,验证了无人机对地面目标的控制策略的可行性和准确性;通过实际飞行避障实验验证避障算法的有效性。
【关键词】：旋翼无人机 多目标跟踪 控制策略 仿真平台 无人机避障
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 论文研究背景及意义10-11
• 1.2 旋翼无人机对地目标控制策略研究现状11-15
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.2.3 研究现状综述14-15
• 1.3 论文的主要工作安排15-16
• 第二章 牧羊仿真平台与牧羊控制系统平台16-28
• 2.1 引言16
• 2.2 牧羊仿真平台16-21
• 2.2.1 牧羊规则分析16-18
• 2.2.2 系统需求分析18-19
• 2.2.3 技术特点19-20
• 2.2.4 地面目标以及障碍物运动学模型20
• 2.2.5 仿真平台实现20-21
• 2.3 牧羊旋翼无人机硬件平台21-25
• 2.4 牧羊控制系统软件平台25-27
• 2.4.1 控制系统软件环境25-26
• 2.4.2 控制系统软件总体设计26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 牧羊旋翼无人机控制算法研究28-44
• 3.1 引言28
• 3.2 牧羊旋翼无人机对地目标控制工作原理28-30
• 3.3 牧羊旋翼无人机动力学模型30-35
• 3.4 牧羊旋翼无人机控制算法35-40
• 3.4.1 旋翼无人机控制算法选取35-36
• 3.4.2 旋翼无人机姿态角控制算法36-38
• 3.4.3 旋翼无人机位置控制算法38-40
• 3.5 控制算法验证40-43
• 3.5.1 悬停实验40-42
• 3.5.2 循迹实验42-43
• 3.6 本章小结43-44
• 第四章 牧羊旋翼无人机对地运动目标控制策略44-66
• 4.1 引言44
• 4.2 牧羊旋翼无人机行为分析44-45
• 4.3 牧羊旋翼无人机避障方法研究45-53
• 4.3.1 避障算法分析与选取45-46
• 4.3.2 动态障碍物位置提取46-49
• 4.3.3 旋翼无人机避障策略49-51
• 4.3.4 仿真实验及分析51-53
• 4.4 多运动目标搜索策略53-54
• 4.5 跟踪目标选择策略54-57
• 4.6 牧羊旋翼无人机对地面运动跟踪策略57-63
• 4.6.1 目标识别与定位57-60
• 4.6.2 地面运动目标预测模型60-61
• 4.6.3 运动目标跟踪策略61-63
• 4.7 牧羊旋翼无人机对地运动目标拦截策略63-65
• 4.8 本章小结65-66
• 第五章 实验与结果分析66-71
• 5.1 引言66
• 5.2 控制策略仿真实验66-67
• 5.3 跟踪控制飞行实验67-69
• 5.4 避障实验69-70
• 5.5 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-77
• 攻读学位期间发表的学术论文及参与的学术活动77

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本文编号：695233