小型多旋翼飞行器辅助避障技术研究

发布时间：2017-09-22 11:08

  本文关键词：小型多旋翼飞行器辅助避障技术研究

  更多相关文章： 旋翼飞行器 激光扫描仪 避障系统 红外相机 二维地图创建

【摘要】：小型多旋翼飞行器近几年来在消费市场的推动下得到迅速发展,无论是在军事领域,还是在民用领域都发挥着越来越重要的作用。旋翼无人机能够在环境危险、地形复杂恶劣等极端条件下代替人类执行任务,最大限度的降低经济成本和减小安全事故发生的概率。本文系统主要针对公安消防类应用需求,例如如何使旋翼飞行器从室外安全飞入高楼大厦的室内,进行现场勘验和证据采集,或者在夜晚城市街道或小巷定位追踪犯罪嫌疑人,又或者如何在充满危险极有可能爆炸的厂房内探查人员情况等等。旋翼飞行器的飞行安全是任务顺利完成的前提,也是现阶段该领域亟待解决的重点问题之一。本文设计了一套以旋翼飞行器为载体,激光扫描仪和可见光相机或红外相机为有效载荷的辅助避障系统。系统工作流程为:激光扫描仪以每秒30帧的速率周期性的在半圆范围内发射激光脉冲,接收到的距离信息经处理板打包转发至地面站,地面站系统通过对数据包进行解析并提取距离信息,并将距离信息转换为形象的二维障碍物分布图显示在上位机上,同时无线图传设备将滤波增强后的可视图像传回至上位机实时更新显示,旋翼飞行器操控手在上位机软件界面上显示的二维障碍物分布图以及视频图像的辅助下进行超视距安全控制。系统工作分为硬件部分和软件部分,硬件部分主要指系统框架的搭建、图像电路板的设计等;软件部分主要指下位机系统图像处理算法实现、上位机显示界面设计以及激光二维地图创建实现。本文系统各模块之间相互独立,可移植性强,易于在不同飞控系统内实现。在图像处理板设计过程中预留了两路图像输入接口,可同时连接可见光和红外相机,旋翼飞行器可昼夜执行任务,扩大了使用范围。二维地图的创建结果直观的反映了环境地图的平面效果,可为公安消防类任务的后续工作提供有效的支持。最后论文分析了系统设计中的不足,并给出了相关的解决方案和下一步的工作任务。
【关键词】：旋翼飞行器 激光扫描仪 避障系统 红外相机 二维地图创建
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 国内警用旋翼机发展现状11-12
• 1.3 旋翼机避障技术的发展现状12-14
• 1.4 论文的主要工作和章节安排14-16
• 2 系统基本原理及关键技术16-24
• 2.1 多旋翼飞行器及飞控16-18
• 2.1.1 旋翼飞行器工作原理16-17
• 2.1.2 飞行控制系统17-18
• 2.2 无线传输通讯系统18-19
• 2.3 避障测距传感器原理及比较19-22
• 2.3.1 超声波测距原理19-20
• 2.3.2 激光红外测距原理20-21
• 2.3.3 毫米波测距原理21-22
• 2.3.4 各种测距方法比较22
• 2.4 成像传感器22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 3 辅助避障系统方案设计24-42
• 3.1 系统总体设计24-25
• 3.2 终端设备的选型25-31
• 3.2.1 无人机机型选择25-26
• 3.2.2 激光扫描仪选型26-28
• 3.2.3 可见光相机选型28
• 3.2.4 红外设备选型28-29
• 3.2.5 无线传输设备选型29-31
• 3.3 图像处理板电路设计31-37
• 3.3.1 硬件电路时钟31-32
• 3.3.2 电路电源32
• 3.3.3 存储空间配置32-33
• 3.3.4 I~2C接口电路33
• 3.3.5 视频捕捉电路33-35
• 3.3.6 RS232接口和通用输入输出接口GPIO35-36
• 3.3.7 视频输出电路36-37
• 3.4 系统软件设计37-40
• 3.4.1 软件需求分析37
• 3.4.2 下位机设计37-40
• 3.4.3 上位机设计40
• 3.5 本章小结40-42
• 4 系统数据处理及试验验证42-60
• 4.1 激光数据处理42-50
• 4.1.1 激光数据预处理42-43
• 4.1.2 激光数据特征提取43-47
• 4.1.3 激光数据的特征匹配47-49
• 4.1.4 地图创建49-50
• 4.2 红外图像处理50-54
• 4.2.1 飞行状态下环境噪声分析50-51
• 4.2.2 图像增强处理51-54
• 4.3 飞行试验验证54-58
• 4.4 本章小结58-60
• 5 总结与展望60-62
• 5.1 本文工作和创新点60-61
• 5.2 不足和展望61-62
• 参考文献62-66
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果66

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本文编号：900458