四旋翼视觉辅助控制系统研究

发布时间：2020-10-24 11:39

　　 随着微小型飞行器的发展,四旋翼无人机逐渐进入了普通大众的视野,由于四旋翼控制灵活、结构简单等众多优点,四旋翼在航拍、救援、安防等民用领域的应用越来越多,潜在的工程应用价值体现出了广阔的市场前景。虽然四旋翼的应用价值大,但也存在一些问题,例如在无GPS的山区和狭小的室内等区域四旋翼的控制效果会大打折扣,针对这些局限性,本文设计并搭建了四旋翼无人机的软硬件平台,对无定位系统时存在的漂移问题提出了图像光流测速算法,同时研究了四旋翼实际飞行时的姿态解算、姿态控制、位置控制问题,本文的主要研究内容和成果如下:1.分析四旋翼无人机的飞行原理、运动模式和结构,建立了描述四旋翼运动和受力分析的坐标系,将四旋翼的运动分为线运动和角运动两种方式,在简化条件下建立了四旋翼的动力学模型。2.设计了图像光流测速系统。针对室内无GPS等定位系统的辅助四旋翼较难控制的问题,提出了基于SAD块匹配的光流测速算法,并对四旋翼旋转运动时二维图像存在的误差作了旋转补偿,设计了图像设备和四旋翼之间的通信协议。经过实验测试,该系统能达到对四旋翼的水平漂移速度做出有效估计。3.研究了四旋翼实际控制问题。首先设计了四旋翼无人机硬件系统,针对姿态更新时陀螺仪的漂移误差提出了基于矢量叉积PID的姿态融合算法,实现四旋翼姿态角的准确解算。其次设计了基于串级PID的姿态控制算法和高度控制算法,实现四旋翼的姿态控制和高度控制。随后在机载图像处理系统的光流速度反馈下,设计了基于串级PID的位置控制算法实现四旋翼的悬停控制。4.最后针对四旋翼的水平漂移,设计了加速度光流卡尔曼滤波融合算法,利用卡尔曼滤波对加速度计难以观测的误差进行估计并消除,在此基础上融合光流速度得到更加准确的水平漂移速度,提高了四旋翼的姿态控制稳定性和位置控制精度。经过实际飞行测试,姿态控制、高度控制、加入光流的位置控制及经过卡尔曼滤波融合的悬停位置控制均达到了期望的效果。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V249.1;TP391.41;TP273
【部分图文】：

如图 1.1(a)所示。(a) 第一架固定翼飞机 (b) 第一架旋翼飞行器图1.1 早期飞机飞机发明后不久 Breguet 兄弟便进行了旋翼式飞行器的尝试，在 1907 年完成了第一架旋翼式飞行器的制造[7]，限于当时的科学技术水平，该飞机稳定性很差，完全依靠人工控制，虽然实验失败，但其成为了研究旋翼式飞行器的开端。无人机几乎与有人机是同时代的产品[8]，1914 年英国空军利用无线电波操控一架小型飞机试飞，由于技术不成熟，最后以失败而告终。1917 年，美国海军开始在飞机上使用自动陀螺稳定器，第一个便应用在寇蒂斯 N-9 教练机上并用无线电控制成功试飞。1935 年英国空军研制了可以回收的“蜂后”无人机

发现的可能性，该机可将全方位的侦查信息通过双向数据链路实时回传。(a)“火峰”飞机 (b)“侦察兵”无人机图1.2 侦查无人机到20世纪末，随着 GPS的普及、微机电技术的成熟和多传感器系统的发展进步，无人机的导航及控制方式有了长足的进步，模块的集成度越来越高。MEMS 传感器虽然廉价但其信号噪声大，无法直接使用，很多学者将研究重点放在了姿态测量的去噪滤波上。此外，微型计算机的运算速度和处理能力有了明显提高，无人机开始向小型化发展。90 年代末至 21 世纪初，无人机在海湾战争、伊拉克战争等几场战争中大显身手，比较著名的有美国通用公司的“捕食者”无人机，作战半径可达 3700 公里

还有可在航母上起降的 X-47B 隐形无人机，如图 1.3(b)所示。(a)“捕食者” (b)“X-47B”图1.3 察打一体无人机21 世纪以来，无人机发展迅猛，除了军事领域的广范应用，无人机也在影视航拍、抢险救灾等民用领域蓬勃发展，尤其近年来四旋翼无人机的商业成功得以让无人机进入了普通大众的视野。1.2.2 国内外研究现状国外著名大学和科研机构近年来将计算机视觉技术引入四旋翼无人机的相关研
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本文编号：2854412