无人机飞行控制与航迹规划研究

发布时间：2017-09-21 08:35

  本文关键词：无人机飞行控制与航迹规划研究

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【摘要】：无人机飞行控制与航迹规划做为无人机的关键技术,是无人机实现自主控制飞行的关键因素,是完成复杂任务、实现安全飞行的重要保证。本文针对上述两个问题,进行了研究。论文以四旋翼无人机为研究平台,对无人机的飞行控制方法与航迹规划方法进行研究。首先,基于欧拉法建立四旋翼模型。在此基础上,设计了一种无人机双回路控制器。考虑到四旋翼无人机姿态运动学与动力学的强非线性与强耦合的特点,本文采用反步法设计了内环姿态控制器,利用PID设计了外环控制器进行位置控制。基于Matlab搭建了无人机控制器仿真验证平台,并验证了控制算法的正确性。为进一步验证所设计控制器的实用性与可靠性,基于Arduino开发环境设计了四旋翼控制半实物仿真平台,并对所设计的控制器进行验证。实验结果表明,论文所设计的控制器能有效跟踪控制指令。其次,针对传统几何学搜索算法规划获得的航迹可飞性差的问题,提出了一种基于A*算法、微分平滑与序列二次规划算法的航迹规划方法。该方法利用A*算法规划出最小代价的初始航迹,结合微分平滑方法对四旋翼动力学模型进行处理以降低非线性规划方法的求解难度,最后利用序列二次规划方法求解出可飞性较好的航迹。另外,对于突发威胁,设计了一种基于D*Lite、微分平滑与序列二次规划算法的局部重规划方法,以提高航迹规划的可飞性。对提出的航迹规划方法进行了模拟仿真,并与传统航迹规划方法进行比较,实验结果显示出该方法规划出的航迹不可飞跃尖点明显减少。最后,为验证所设计的飞行控制算法与航迹规划方法的效果,本文基于paparazzi与Flightgear开源软件搭建了可视化模拟仿真平台,实现了无人机飞行过程中的飞行姿态与位置、大气条件与地面环境的三维可视化显示。基于此仿真平台下的飞行仿真在保证正确性的同时更加直观形象,且具有实用性与良好扩展性。
【关键词】：无人机 飞行控制方法 航迹规划 视景仿真
【学位授予单位】：北京理工大学
【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1章 绪论10-18
• 1.1 研究意义10-11
• 1.2 无人机飞行控制方法与航迹规划方法11-16
• 1.2.1 无人机控制方法11-12
• 1.2.2 航迹规划技术12-16
• 1.3 四旋翼飞行器简介16
• 1.4 本文主要工作16-18
• 第2章 四旋翼飞行器建模18-24
• 2.1 四旋翼飞行器飞行原理18-19
• 2.2 四旋翼飞行器模型建立19-23
• 2.2.1 飞行器姿态表示19-21
• 2.2.2 模型建立21-23
• 2.3 本章小结23-24
• 第3章 基于PID与反步法的飞行器控制器设计24-35
• 3.1 控制方法介绍24-26
• 3.1.1 PID控制原理24-25
• 3.1.2 反步法概述25-26
• 3.2 飞行器控制器设计26-30
• 3.2.1 控制器总体结构设计26-27
• 3.2.2 内环控制器27-29
• 3.2.3 外环控制器29-30
• 3.3 仿真结果30-34
• 3.3.1 数字仿真30-31
• 3.3.2 半实物仿真31-34
• 3.4 本章小结34-35
• 第4章 无人机航迹规划方法35-52
• 4.1 航迹规划方法综述35-36
• 4.2 全局航迹规划基本方法36-42
• 4.2.1 A*算法介绍36-39
• 4.2.2 微分平滑理论39-41
• 4.2.3 B样条曲线41-42
• 4.2.4 序列二次规划42
• 4.3 基于微分平滑的全局航迹规划方法42-46
• 4.3.1 四旋翼微分平滑属性判定43-44
• 4.3.2 平滑输出B样条参数化44-45
• 4.3.3 B样条参数化系数序列二次规划求解45-46
• 4.4 全局基本航迹规划模拟仿真46-48
• 4.5 无人机三维重规划48-51
• 4.5.1 D*Lite算法48-49
• 4.5.2 模拟仿真49-51
• 4.6 本章小结51-52
• 第5章 可视化飞行仿真平台设计52-63
• 5.1 飞行模拟平台总体结构52-53
• 5.2 飞行仿真模块53-56
• 5.2.1 paparzzi开源软件介绍53
• 5.2.2 仿真模块总体介绍53-54
• 5.2.3 飞行器模型及其控制系统54
• 5.2.4 飞行数据54-55
• 5.2.5 数据传输模块55-56
• 5.3 视景可视化仿真模块56-59
• 5.3.1 视景可视化软件56-57
• 5.3.2 视景可视化系统57-58
• 5.3.4 视景可视化仿真模块运行效果58-59
• 5.4 仿真开发实例59-62
• 5.5 本章小结62-63
• 第6章 总结与展望63-65
• 参考文献65-70
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单70-71
• 致谢71

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本文编号：893464