【摘要】：依托于傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、濾波理論的發(fā)展以及自動(dòng)控制技術(shù)在飛行器上的廣泛應(yīng)用,四軸飛行器的研究得到了迅速的推進(jìn),目前在室外環(huán)境已經(jīng)有了許多成熟的應(yīng)用。針對四軸飛行器室內(nèi)環(huán)境下的自主飛行控制問題,研究學(xué)者們相繼展開研究,并取得了一些成果。本文圍繞室內(nèi)環(huán)境下四軸飛行器的自主飛行控制需求,將整體分為飛行控制系統(tǒng)和室內(nèi)自主導(dǎo)航系統(tǒng)兩部分,設(shè)計(jì)了基于二維激光雷達(dá)的四軸飛行器整體系統(tǒng)方案,完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)了四軸飛行器在室內(nèi)環(huán)境下的姿態(tài)控制、位置控制、自主導(dǎo)航探索等功能。飛行控制系統(tǒng)是四軸飛行器能夠穩(wěn)定飛行的基礎(chǔ),本文的飛行控制系統(tǒng)主要包括姿態(tài)控制器和位置控制器兩部分,均使用串級PID方法設(shè)計(jì)。其中姿態(tài)控制器的第一級為三軸姿態(tài)角度控制器,第二級為三軸姿態(tài)角速度控制器;位置控制器的第一級為三維位置控制器,第二級為三維速度控制器。室內(nèi)自主導(dǎo)航系統(tǒng)是四軸飛行器在室內(nèi)環(huán)境下能夠自主飛行的核心,本文設(shè)計(jì)了一種基于二維激光雷達(dá)的未知環(huán)境自主探索方案。本方案使用Hector Mapping(赫克托建圖)算法,完成了室內(nèi)飛行環(huán)境的二維柵格地圖構(gòu)建;基于此環(huán)境地圖、雷達(dá)二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及上一幀位姿,構(gòu)造最小二乘問題,估計(jì)當(dāng)前位姿;通過設(shè)計(jì)自主確定目標(biāo)點(diǎn)的策略,使自主導(dǎo)航系統(tǒng)可以引導(dǎo)四軸飛行器自主探索室內(nèi)未知環(huán)境;同時(shí),針對四軸飛行器實(shí)際飛行情況,使用優(yōu)化的A*路徑規(guī)劃算法,規(guī)劃出一條安全可靠的飛行路徑。最后,本文對上述四軸飛行器整體系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)了一系列的實(shí)驗(yàn),包括飛行控制系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)自主導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文室內(nèi)環(huán)境下自主飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性,同時(shí),進(jìn)行了本文工作總結(jié)及未來研究展望。
【圖文】：

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文動(dòng)控制技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，，四軸飛行器再次回到研究學(xué)者們的并且更加趨于小型化、智能化。美國賓夕法尼亞大學(xué) Kumar 教授團(tuán)隊(duì)在四軸飛行器領(lǐng)域取得了豐富的研該團(tuán)隊(duì)目前研究的全自主導(dǎo)航四軸飛行器，可用在室內(nèi)外三維復(fù)雜環(huán)境進(jìn)救援、和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等。通過搭載三維激光雷達(dá)，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)利用微型飛行管道等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行自主檢查。此外，依照仿生學(xué)原理給飛行機(jī)器人爪，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了飛行器對物體的抓�。徊⑶医Y(jié)合 3D 打印技術(shù)，研發(fā)出25 克但具有更高靈敏度的 3D 圖形繪制微小型飛行器[8,9]。Kumar 教授團(tuán)隊(duì)如圖 1-1 所示：

圖 1-1 Kumar 教授團(tuán)隊(duì)部分成果澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)（University of Tasmania）的 Arko Lucieer 教授團(tuán)用無人機(jī)平臺(tái)搭載三維激光雷達(dá)進(jìn)行森林環(huán)境的高空測繪，用于環(huán)境分析[10]。國內(nèi)高校對四軸飛行器的研究起步較晚，目前尚處于跟進(jìn)研究階段，雖與國進(jìn)水平仍存在一定的差距，亦取得了許多理論和應(yīng)用上的革新和突破。北京航天航空大學(xué)可靠飛行控制研究組研究了魯棒姿態(tài)估計(jì)系統(tǒng)[11]、多旋飛行控制可靠性、故障預(yù)測與健康管理[12]等，如下圖 1-2 所示：
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V279;V249.1

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本文編號(hào)：2596759