基于视觉的四旋翼无人机室内定位与控制系统
发布时间：2022-07-22 16:48
四旋翼无人机是一种典型的多旋翼无人机,其三维姿态和三维位置均可快速机动,受地形影响小,适应性高,已经被广泛应用于军事或民用的诸多领域。同时,四旋翼无人机属于一种六自由度、非线性、欠驱动的强耦合控制系统,这对控制系统的设计带来许多困难。出于这种原因,四旋翼无人机定位、导航、控制的相关研究一直是学术界的热点之一。本文首先研究了基于视觉处理的室内定位系统,通过外部相机对四旋翼无人机机体的图像特征进行感知和捕捉,借由上位机进行位置解算来获得四旋翼无人机的位置信息,通过无线蓝牙通讯技术实时传递给四旋翼无人机来实现自主飞行。同时,本文设计并安装了适用于室内环境下的四旋翼无人机飞行控制实验平台和姿态控制实验平台,并分别进行了包括姿态控制、定点悬停、轨迹跟踪在内的系列实验,验证了基于视觉处理的室内定位系统的有效性。最后,为了进一步改善四旋翼无人机在室内等特殊环境下的控制性能,本文考虑了飞行速度受限的情况,研究了一种速度受限下四旋翼无人机有限时间位置跟踪控制算法。给出了控制器的具体设计步骤,构造李雅普诺夫函数并基于齐次性控制理论证明了该时变闭环系统的有限时间稳定性,最后通过仿真验证了该控制器的有效性。本...
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 四旋翼无人机定位方案的研究现状
1.2.2 视觉系统参数优化算法的研究现状
1.2.3 四旋翼无人机控制算法的研究现状
1.3 本文主要研究内容
第二章 四旋翼无人机控制模型的建立与分析
2.1 四旋翼无人机系统状态与坐标系的描述
2.2 四旋翼无人机的模型假设及相关分析
2.3 四旋翼无人机姿态控制模型
2.4 四旋翼无人机位置控制模型
2.5 四旋翼无人机控制效率模型
2.6 本章小结
第三章 基于视觉处理的四旋翼无人机室内定位系统
3.1 引言
3.2 室内定位系统模型及原理说明
3.2.1 视觉系统成像与检测模型
3.2.2 四旋翼无人机水平位置解算模型
3.2.3 基于自适应变异的变须长天牛群视觉系统优化算法
3.3 室内定位系统离线准备阶段
3.3.1 设置定位环境与建立离线数据库
3.3.2 室内定位系统模型的参数整合与优化
3.4 室内视觉定位系统的在线定位阶段
3.5 本章小结
第四章 基于视觉的四旋翼无人机定位与控制系统实验验证
4.1 四旋翼无人机室内实验平台设计
4.1.1 四旋翼无人机飞行实验平台
4.1.2 四旋翼无人机姿态控制实验平台
4.2 四旋翼无人机系统状态解算
4.3 四旋翼无人机系统基本控制原理
4.4 基于室内姿态实验平台的姿态控制实验
4.4.1 一键自稳定启动机制
4.4.2 姿态控制实验
4.5 基于室内视觉定位平台的位置控制实验
4.5.1 基于视觉定位的室内定点悬停实验
4.5.2 基于视觉定位的室内轨迹跟踪实验
4.6 本章小结
第五章 速度受限下四旋翼无人机有限时间控制算法研究
5.1 引言
5.2 相关的定义和引理
5.3 控制目标与相关假设
5.3.1 控制目标
5.3.2 相关假设
5.4 速度受限下有限时间控制器设计
5.4.1 速度受限下有限时间位置控制算法设计
5.4.2 快速有限时间姿态控制算法设计
5.5 数值仿真验证与结论
5.6 本章小结
第六章 本文工作总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SCBSO算法的低照度纹理图像增强方法[J]. 陶志勇,张蕾,林森. 激光与光电子学进展. 2019(24)
[2]BSO算法在移动机器人三维路径规划中的应用[J]. 沈显庆,孙启智. 黑龙江科技大学学报. 2019(06)
[3]2019年无人系统领域发展综述[J]. 王雅琳,杨依然,王彤,葛悦涛. 无人系统技术. 2019(06)
[4]智能无人系统最新研究和应用综述[J]. 崔娟娟,赵鹏,马文静,杜辉. 电子世界. 2019(18)
[5]无人机撒播技术在农业中的应用综述[J]. 高志政,彭孝东,林耿纯,张泉勇,吕石磊,欧阳帆. 江苏农业科学. 2019(06)
[6]基于天牛须搜索的粒子群优化算法求解投资组合问题[J]. 陈婷婷,殷贺,江红莉,王露. 计算机系统应用. 2019(02)
[7]多智能体技术发展及其应用综述[J]. 李杨,徐峰,谢光强,黄向龙. 计算机工程与应用. 2018(09)
[8]旋翼飞行机器人多机视觉跟踪定位系统及方法[J]. 王耀南,罗琼华,陈彦杰,谭建豪,刘芯. 仪器仪表学报. 2018(02)
[9]Reentry trajectory rapid optimization for hypersonic vehicle satisfying waypoint and no-fly zone constraints[J]. Lu Wang,Qinghua Xing,Yifan Mao. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2015(06)
[10]基于多种群粒子群算法和布谷鸟搜索的联合寻优算法[J]. 高云龙,闫鹏. 控制与决策. 2016(04)
本文编号：3664978
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 四旋翼无人机定位方案的研究现状
1.2.2 视觉系统参数优化算法的研究现状
1.2.3 四旋翼无人机控制算法的研究现状
1.3 本文主要研究内容
第二章 四旋翼无人机控制模型的建立与分析
2.1 四旋翼无人机系统状态与坐标系的描述
2.2 四旋翼无人机的模型假设及相关分析
2.3 四旋翼无人机姿态控制模型
2.4 四旋翼无人机位置控制模型
2.5 四旋翼无人机控制效率模型
2.6 本章小结
第三章 基于视觉处理的四旋翼无人机室内定位系统
3.1 引言
3.2 室内定位系统模型及原理说明
3.2.1 视觉系统成像与检测模型
3.2.2 四旋翼无人机水平位置解算模型
3.2.3 基于自适应变异的变须长天牛群视觉系统优化算法
3.3 室内定位系统离线准备阶段
3.3.1 设置定位环境与建立离线数据库
3.3.2 室内定位系统模型的参数整合与优化
3.4 室内视觉定位系统的在线定位阶段
3.5 本章小结
第四章 基于视觉的四旋翼无人机定位与控制系统实验验证
4.1 四旋翼无人机室内实验平台设计
4.1.1 四旋翼无人机飞行实验平台
4.1.2 四旋翼无人机姿态控制实验平台
4.2 四旋翼无人机系统状态解算
4.3 四旋翼无人机系统基本控制原理
4.4 基于室内姿态实验平台的姿态控制实验
4.4.1 一键自稳定启动机制
4.4.2 姿态控制实验
4.5 基于室内视觉定位平台的位置控制实验
4.5.1 基于视觉定位的室内定点悬停实验
4.5.2 基于视觉定位的室内轨迹跟踪实验
4.6 本章小结
第五章 速度受限下四旋翼无人机有限时间控制算法研究
5.1 引言
5.2 相关的定义和引理
5.3 控制目标与相关假设
5.3.1 控制目标
5.3.2 相关假设
5.4 速度受限下有限时间控制器设计
5.4.1 速度受限下有限时间位置控制算法设计
5.4.2 快速有限时间姿态控制算法设计
5.5 数值仿真验证与结论
5.6 本章小结
第六章 本文工作总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SCBSO算法的低照度纹理图像增强方法[J]. 陶志勇,张蕾,林森. 激光与光电子学进展. 2019(24)
[2]BSO算法在移动机器人三维路径规划中的应用[J]. 沈显庆,孙启智. 黑龙江科技大学学报. 2019(06)
[3]2019年无人系统领域发展综述[J]. 王雅琳,杨依然,王彤,葛悦涛. 无人系统技术. 2019(06)
[4]智能无人系统最新研究和应用综述[J]. 崔娟娟,赵鹏,马文静,杜辉. 电子世界. 2019(18)
[5]无人机撒播技术在农业中的应用综述[J]. 高志政,彭孝东,林耿纯,张泉勇,吕石磊,欧阳帆. 江苏农业科学. 2019(06)
[6]基于天牛须搜索的粒子群优化算法求解投资组合问题[J]. 陈婷婷,殷贺,江红莉,王露. 计算机系统应用. 2019(02)
[7]多智能体技术发展及其应用综述[J]. 李杨,徐峰,谢光强,黄向龙. 计算机工程与应用. 2018(09)
[8]旋翼飞行机器人多机视觉跟踪定位系统及方法[J]. 王耀南,罗琼华,陈彦杰,谭建豪,刘芯. 仪器仪表学报. 2018(02)
[9]Reentry trajectory rapid optimization for hypersonic vehicle satisfying waypoint and no-fly zone constraints[J]. Lu Wang,Qinghua Xing,Yifan Mao. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2015(06)
[10]基于多种群粒子群算法和布谷鸟搜索的联合寻优算法[J]. 高云龙,闫鹏. 控制与决策. 2016(04)
本文编号：3664978
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