基于视觉的无人机自主着陆航迹规划与鲁棒控制技术研究

发布时间：2017-08-25 18:28

  本文关键词：基于视觉的无人机自主着陆航迹规划与鲁棒控制技术研究

  更多相关文章： 无人机 自主着陆 视觉导航 航迹动态规划 Gauss伪谱法 Dubins 滚动时域 模型不确定性 H2/H∞ 混合控制 鲁棒性能

【摘要】：本文针对大型高速固定翼无人机,研究了基于视觉导航的自主着陆所需的航迹规划与鲁棒控制技术:其一,规划的航迹如何保证着陆目标在摄像头的视野内同时消除视觉估计误差对规划的不良影响;其二,如何表达分析视觉估计误差以及设计的鲁棒控制器如何保证整个系统对视觉估计误差的鲁棒性能。本文首先依据无人机相对着陆场地的位姿关系以及视觉导航系统的工作状态,设计了基于视觉的自主着陆策略,其中的复飞机制能有效应对识别目标失败或者目标丢失等突发情况。然后提出了分段式航迹规划策略,并对特殊阶段实行离线规划。另外针对需要在线规划航迹的阶段,本文设计了航迹优化中的约束与性能指标,以保证着陆目标始终在摄像头的视野内,并利用Gauss伪谱法将其转化为非线性规划问题求解,然后为提高规划速度在此基础上集成了Dubins初值估计算法,最后引入滚动时域航迹更新方法实现动态优化以解决视觉估计误差对航迹优化的不良影响。针对航迹鲁棒控制问题,本文首先建立了视觉测量模型,并详细分析了视觉估计误差对不同模型不确定性的敏感程度。然后为充分利用规划的航迹信息构建了全量非线性模型,并依据模型是否涉及航迹信息将其分为内回路和外回路,其中外回路在引入视觉测量模型不确定性的基础上采用了H2/H∞混合控制,以保证系统的鲁棒性。最后,本文分析验证了以上的航迹规划与鲁棒控制技术,并同时给出了控制系统所允许的视觉测量模型不确定性的范围,以指导视觉估计算法的研究。
【关键词】：无人机 自主着陆 视觉导航 航迹动态规划 Gauss伪谱法 Dubins 滚动时域 模型不确定性 H2/H∞ 混合控制 鲁棒性能
【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】：2015
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 注释表10-11
• 缩略词11-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 引言12-14
• 1.1.1 基于视觉的自主着陆12-13
• 1.1.2 基于视觉的导引技术13-14
• 1.2 国内外研究现状14-17
• 1.2.1 基于视觉的自主着陆14-15
• 1.2.2 基于视觉的航迹规划技术15-16
• 1.2.3 基于视觉的位置控制技术16-17
• 1.3 本文的主要研究工作17-19
• 1.3.1 航迹动态规划17-18
• 1.3.2 航迹鲁棒控制18-19
• 1.4 本文的内容安排19-20
• 第二章 基于视觉的自主着陆策略20-28
• 2.1 基于视觉的自主着陆流程20-24
• 2.1.1 着陆流程设计20-22
• 2.1.2 着陆状态机设计22-24
• 2.2 基于视觉的航迹规划策略24-28
• 2.2.1 分段式规划24-25
• 2.2.2 进近段航迹规划25-28
• 第三章 基于视觉的航迹动态优化28-45
• 3.1 坐标系定义28-31
• 3.2 航迹优化问题31-37
• 3.2.1 最优控制31-32
• 3.2.2 飞行器约束32-33
• 3.2.3 基于视觉导航的约束与最优指标33-37
• 3.3 基于伪谱法的航迹优化37-40
• 3.3.1 Gauss伪谱法37-38
• 3.3.2 最优控制问题的离散化38-40
• 3.4 基于Dubins的航迹初值估计40-43
• 3.5 基于滚动时域的航迹更新43-45
• 第四章 基于视觉的航迹鲁棒控制45-60
• 4.1 视觉测量模型45-52
• 4.1.1 非线性模型46-48
• 4.1.2 不确定性分析48-51
• 4.1.3 线性模型51-52
• 4.2 航迹跟踪控制52-55
• 4.2.1 飞行器模型52-53
• 4.2.2 双回路控制构架53-55
• 4.3 基于H2/H∞的航迹跟踪55-60
• 4.3.1 H2/H∞混合控制55-57
• 4.3.2 广义控制对象构造57-58
• 4.3.3 控制器设计58-60
• 第五章 验证与分析60-70
• 5.1 基于视觉的自主着陆仿真系统60-62
• 5.1.1 系统构架60-61
• 5.1.2 自主着陆导引系统61-62
• 5.2 自主着陆策略分析62-63
• 5.3 航迹动态优化分析63-66
• 5.3.1 航迹优化64
• 5.3.2 初值估计64-65
• 5.3.3 航迹更新65-66
• 5.4 航迹鲁棒控制分析66-70
• 5.4.1 模型不确定性下的性能分析67-68
• 5.4.2 延迟不确定性下的性能分析68-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 6.1 研究工作总结70
• 6.2 后续研究展望70-72
• 参考文献72-78
• 致谢78-80
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文80

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本文编号：737793