發(fā)布時(shí)間：2020-07-11 10:06

【摘要】：在過(guò)去的十幾年里,無(wú)人機(jī)在民用和軍用領(lǐng)域的飛速發(fā)展顯示了其未來(lái)發(fā)展的潛能,無(wú)人機(jī)相對(duì)于有人駕駛的飛機(jī),特別是安全和成本方面具有很多突出的優(yōu)點(diǎn),如在對(duì)敵人監(jiān)視,戰(zhàn)場(chǎng)偵探或者一些危險(xiǎn)區(qū)域的軍事行動(dòng)上,無(wú)人機(jī)代替人類飛行員承受了風(fēng)險(xiǎn),另外小型的無(wú)人機(jī)通常因?yàn)樯a(chǎn)、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)方便容易,降低了其成本,無(wú)人機(jī)的成功應(yīng)用包括監(jiān)視、偵察、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估、目標(biāo)跟蹤和監(jiān)測(cè)、搜救、流量監(jiān)測(cè)和管道檢查等。四旋翼飛行器在飛行過(guò)程中通常依賴自身的GPS傳感器來(lái)實(shí)時(shí)估算位置和速度信息,而當(dāng)無(wú)人機(jī)需要在室內(nèi)或者比較封閉的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時(shí),GPS信號(hào)可能很弱或者消失,這將使無(wú)人機(jī)對(duì)環(huán)境及自身的感知能力變差,影響其穩(wěn)定飛行。基于此,本文首先搭建了一套搭載視覺傳感器四旋翼硬件系統(tǒng),然后設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定的控制算法,實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器自主穩(wěn)定地飛行,最后設(shè)計(jì)了一種基于視覺信息輸入的四旋翼飛行器速度跟蹤飛行控制,與超聲波傳感器信息融合實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器的自主定高跟隨飛行。本文以四旋翼飛行器為平臺(tái),主要針對(duì)GPS信號(hào)弱的情況下,基于視覺信息的四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行問(wèn)題進(jìn)行研究,主要研究?jī)?nèi)容如下:1)建立了四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型以及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,攝像頭固定在機(jī)身的正下方,四旋翼的運(yùn)動(dòng)方程即為相機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程,正常飛行過(guò)程中目標(biāo)物始終在攝像頭的中心,然而四旋翼飛行器姿態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)物偏離中心位置,從而產(chǎn)生誤判,本文建立了一個(gè)虛擬的相機(jī)平面,解決了誤判問(wèn)題;2)滑模控制的對(duì)象及對(duì)象的參數(shù)與外界干擾無(wú)關(guān),所以魯棒性更強(qiáng)。然而,傳統(tǒng)的滑�？刂扑惴〞�(huì)在控制過(guò)程中由于不連續(xù)的切換特性而引起系統(tǒng)抖動(dòng),從而導(dǎo)致飛行器不穩(wěn)定。針對(duì)這一問(wèn)題,本章設(shè)計(jì)了基于PID滑模面的二階滑�？刂扑惴�,對(duì)飛行器飛行位置、姿態(tài)進(jìn)行控制,并與經(jīng)典的PID控制器和滑�？刂破鬟M(jìn)行了比較。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)與常規(guī)的二階滑�？刂扑惴ㄏ啾�,本文所提算法響應(yīng)時(shí)間更短,調(diào)節(jié)速度更快,穩(wěn)定性更強(qiáng)。3)選擇合適的傳感器,搭建四旋翼飛行器的實(shí)物平臺(tái),針對(duì)所設(shè)計(jì)的算法移植到四旋翼飛行器的硬件平臺(tái)上,通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)一鍵起飛、降落、自主跟蹤的功能,通過(guò)虛擬示波器對(duì)實(shí)際飛行的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明無(wú)論目標(biāo)物是否運(yùn)動(dòng),四旋翼飛行器都能夠穩(wěn)定地飛行并懸停在其上方。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V249.1
【圖文】：

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文四旋翼飛行器因?yàn)槠洫?dú)有的優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，無(wú)論在企業(yè)還是科研機(jī)構(gòu)都得到了廣泛的應(yīng)用。最早將控制算法應(yīng)用到飛行器上，并試飛成功的是美國(guó)RC 公司生產(chǎn)的 Draganflyer 系列的遙控飛行器[2]，如圖 1.1 所示。Draganflyer 配備先進(jìn)的慣性測(cè)量單元和可靠的飛行控制系統(tǒng)。 懸停，低速巡航，航拍等飛行任務(wù)均通過(guò)遙控器完成。Draganflyer 直升機(jī)不僅面向玩家，還為研究四旋翼飛行器的研究人員提供了二次開發(fā)模式。許多大學(xué)的研究人員正在現(xiàn)有 Draganflyer飛機(jī)的基礎(chǔ)上開展研究，并對(duì)控制算法、姿態(tài)測(cè)量、無(wú)線通信和多機(jī)協(xié)作進(jìn)行更深入的研究。

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文四旋翼飛行器因?yàn)槠洫?dú)有的優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，無(wú)論在企業(yè)還是科研機(jī)構(gòu)都得到了廣泛的應(yīng)用。最早將控制算法應(yīng)用到飛行器上，并試飛成功的是美國(guó)RC 公司生產(chǎn)的 Draganflyer 系列的遙控飛行器[2]，如圖 1.1 所示。Draganflyer 配備先進(jìn)的慣性測(cè)量單元和可靠的飛行控制系統(tǒng)。 懸停，低速巡航，航拍等飛行任務(wù)均通過(guò)遙控器完成。Draganflyer 直升機(jī)不僅面向玩家，還為研究四旋翼飛行器的研究人員提供了二次開發(fā)模式。許多大學(xué)的研究人員正在現(xiàn)有 Draganflyer飛機(jī)的基礎(chǔ)上開展研究，并對(duì)控制算法、姿態(tài)測(cè)量、無(wú)線通信和多機(jī)協(xié)作進(jìn)行更深入的研究。

圖 1.3 Solo 無(wú)人機(jī) 圖 1.4 M100控制及圖傳技術(shù)作為技術(shù)的核心未對(duì)外開放，但是有一款 M100 四旋翼無(wú)人飛行器可以作為平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，如圖 1.4，可以通過(guò)串口發(fā)送控制指令給飛行控制器。2017 年的大疆精靈 4 除了攜帶高清攝像頭進(jìn)行航拍以外，還考慮到無(wú)GPS 環(huán)境下的問(wèn)題，在四旋翼無(wú)人飛行器的機(jī)身前，后方及底部均配備了雙目視覺傳感器，在飛行過(guò)程中根據(jù)視覺信息可以實(shí)現(xiàn)定位懸停，見圖 1.5(a)。同年生產(chǎn)的另一款無(wú)人機(jī)御（MAVIC）專門針對(duì)航拍愛好者設(shè)計(jì)，圖像傳輸距離高達(dá) 7 公里，配備雙目立體視覺環(huán)境感知系統(tǒng)可以檢測(cè)到前方 15 米內(nèi)的物體，攜帶 4K 高清相機(jī)和三軸機(jī)械云臺(tái)，見圖 1.5(b)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

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本文編號(hào)：2750259