四轴飞行器自主飞行控制及避障系统研究

发布时间：2017-09-17 18:30

  本文关键词：四轴飞行器自主飞行控制及避障系统研究

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【摘要】：近年来,得益于计算机、MEMS、传感器以及智能控制等领域的技术革新和理论创新,四轴飞行器作为旋翼无人机的后起之秀,再次进入大众的视野,并得到了各大高校、研究所和企事业等单位的极大关注,以四轴飞行器为平台的技术研究及其军工民用领域的开发使用获得了长足的发展。然而,当前国内在四轴飞行器领域的研究尚不能实现其安全稳定的执行各项复杂的任务,诸如视觉避障、多机协同、室内导航等研究方向仍需要更多的实践探索。本文围绕四轴飞行器自主飞行控制实现及障碍规避系统设计展开研究,扼要概述了四轴飞行器的结构和特点,并甄选与本论文相关的基础知识进行简单介绍。然后,从运动学和动力学角度分析了其运动控制原理,为飞行器控制器研究提供理论依据和设计指导。四轴飞行器的控制器主要包含位置控制器和姿态控制器两部分内容,本文采用串级PID和逻辑控制相结合的思路实现控制器的设计。其中,姿态控制器包含了pitch/roll/yaw的三轴角度控制,再结合高度控制器,构成飞行器平台的基础控制,可以实现飞行器的定高飞行;而平面位置坐标的控制通过逻辑解算最终统一到角度控制中,与前者相结合,最终构成飞行器平台的位置控制,实现其定点悬停功能。四轴飞行器的避障系统设计主要包含了障碍检测和航迹规划两部分内容。这两部分内容的算法对处理器的运算能力要求较高,其数据处理在PC机上完成。飞行器通过机载单目摄像头对飞行航迹上的障碍物进行检测,并将图片信息通过WiFi回传到上位机中。本文将障碍物锁定为黑白棋盘格,且通过Harris角点检测算法对其进行检测,结合棋盘格的特征及尺寸,最终求得其三维空间坐标,并实时更新环境地图。另一方面,采用A*算法实现飞行器的三维航迹规划,在每次地图更新时,用于重新计算飞行器的航迹点,并通过数传模块将其发送到下位机中,用于指导飞行器巡点飞行,规避所有障碍物,到达目的地。最后,本文根据系统研究目标设计了一系列实验,包括系统性能测试、自主飞行实验和避障飞行实验等,验证了四轴飞行器平台功能的可实现性和稳定性,也为后续研究内容的开展提供参考。
【关键词】：四轴飞行器 串级PID 数据融合 Harris角点检测 A*航迹规划
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.2 国内外研究现状及发展11-16
• 1.2.1 国外研究水平及发展11-15
• 1.2.2 国内研究水平及发展15-16
• 1.3 课题研究意义及依据16-17
• 1.4 主要研究内容及组织17-18
• 第二章 相关基础知识概述18-31
• 2.1 四轴飞行器结构18-19
• 2.2 运动状态描述19-23
• 2.2.1 基本坐标系及转换19-21
• 2.2.2 基本运动模态21-23
• 2.3 姿态解算23-27
• 2.4 常用障碍物检测方法27-28
• 2.5 常用航迹规划策略28-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第三章 四轴飞行器自主飞行控制系统研究31-41
• 3.1 四轴飞行器基本模型描述31-34
• 3.1.1 四轴飞行器动力学模型分析31-33
• 3.1.2 四轴飞行器控制系统分析33-34
• 3.2 四轴飞行器运动控制器设计34-40
• 3.2.1 位置控制器设计35-38
• 3.2.2 姿态控制器设计38-40
• 3.3 本章小结40-41
• 第四章 四轴飞行器避障系统研究41-54
• 4.1 基于单目视觉的障碍物检测41-49
• 4.1.1 角点检测方法41-43
• 4.1.2 障碍物空间坐标获取43-49
• 4.2 基于A*算法的航迹规划设计49-53
• 4.2.1 四轴飞行器飞行性能约束49-50
• 4.2.2 A*三维航迹规划算法50-53
• 4.3 本章小结53-54
• 第五章 四轴飞行器综合系统实现54-70
• 5.1 四轴飞行器系统需求分析54
• 5.2 四轴飞行器硬件平台搭建54-60
• 5.2.1 主控系统55-56
• 5.2.2 传感器系统56-58
• 5.2.3 通信系统58-60
• 5.2.4 动力系统60
• 5.3 四轴飞行器软件系统设计60-69
• 5.3.1 软件开发集成环境60-61
• 5.3.2 自主飞行控制软件设计61-65
• 5.3.3 自主避障软件设计65-69
• 5.4 本章小结69-70
• 第六章 综合系统实验验证70-81
• 6.1 飞行试验平台概述70
• 6.2 自主飞行控制实验70-75
• 6.2.1 平台性能测试70-72
• 6.2.2 姿态飞行实验72-74
• 6.2.3 巡点飞行实验74-75
• 6.3 避障系统验证75-80
• 6.3.1 三维空间障碍物检测实验75-77
• 6.3.2 航迹规划Matlab仿真实验77-78
• 6.3.3 障碍规避飞行实验78-80
• 6.4 本章小结80-81
• 第七章 总结与展望81-83
• 7.1 论文工作总结81
• 7.2 未来研究展望81-83
• 致谢83-84
• 参考文献84-88
• 攻读硕士学位期间取得的成果88-89

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本文编号：871027