本文關鍵詞：微型旋翼無人機航跡規(guī)劃與航跡跟蹤控制系統(tǒng)設計，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,隨著微型旋翼無人機在日常生活中的廣泛運用,人們對其飛行作業(yè)時的自主性與安全性提出了更高的要求。然而,微型旋翼無人機目前正處于可變權限自主控制階段,離真正意義上的自主控制還有一定的差距,其中自動航跡規(guī)劃與自主跟蹤控制是實現(xiàn)無人機自主化的兩個關鍵技術。本文詳細闡述了基于微型四旋翼飛行器平臺的航跡規(guī)劃與航跡跟蹤控制系統(tǒng)設計實現(xiàn)的全過程:從實際任務需求分析入手,提出系統(tǒng)設計的目標,接著對航跡規(guī)劃與航跡跟蹤控制算法進行了詳細地分析并完成了航跡規(guī)劃與跟蹤控制器設計;然后搭建了微型四旋翼飛行器自主飛行控制實驗平臺,并在該平臺上開發(fā)完成了航跡規(guī)劃軟件、自主航點跟蹤飛行控制軟件以及飛行器與地面航跡規(guī)劃系統(tǒng)的數(shù)據通信鏈路設計與實現(xiàn);最后通過自主避障飛行實驗對本文中所設計的航跡規(guī)劃與航跡跟蹤系統(tǒng)進行實驗驗證。主要包含以下幾個方面的工作:(1)根據微型旋翼無人機實際飛行環(huán)境,機動性能及任務需求,提出動態(tài)航跡規(guī)劃的設計要求,把實際環(huán)境中的障礙物抽象成多面體和線形兩種障礙模型約束,地形回避采用不規(guī)則三角網格模型約束以及用圓的外接正方形對飛行器間避撞進行約束。通過引入決策變量把上述約束統(tǒng)一到混合整數(shù)線性規(guī)劃的框架下,采用滾動時域策略求解以燃油最省、距離最短為目標函數(shù)的多目標優(yōu)化問題,實現(xiàn)動態(tài)航跡規(guī)劃。然后將該優(yōu)化問題描述為AMPL標準數(shù)學模型語言,運用數(shù)學求解軟件CPLEX求解,并基于GoogleEarth進行規(guī)劃任務獲取。(2)從四旋翼飛行器的基本結構和原理分析入手,通過引入期望的俯仰和滾轉角兩個虛擬控制量,將欠驅動的航跡跟蹤控制系統(tǒng)變成全驅動的控制系統(tǒng),并采用內環(huán)姿態(tài)、外環(huán)位置的控制結構進行航跡跟蹤控制器設計。根據實際飛行情況,對四旋翼飛行器數(shù)學模型進行合理簡化,將姿態(tài)動力學模型解耦成線性化小擾動模型,并基于此模型設計了姿態(tài)PD控制器,將位置動力學模型控制量進行等價變換,實現(xiàn)控制量的解耦,基于有界控制理論設計了位置控制器。(3)為了對所設計的航跡規(guī)劃與航跡跟蹤控制系統(tǒng)可行性進行實驗驗證,搭建了基于微型四旋翼飛行器的綜合系統(tǒng)實驗平臺。然后基于此平臺完成了航跡規(guī)劃軟件和自主航點跟蹤飛行控制軟件的開發(fā)以及飛行器與地面航跡規(guī)劃系統(tǒng)數(shù)據通信的設計與實現(xiàn)。(4)通過實際飛行控制實驗對所設計的航跡規(guī)劃和控制算法的可行性以及綜合控制系統(tǒng)軟硬件實驗平臺的有效性進行實驗驗證。主要進行了在已知實際環(huán)境障礙物數(shù)據條件下的動態(tài)航跡規(guī)劃算法驗證;微型四旋翼飛行器自主飛行控制性能測試;已知環(huán)境障礙數(shù)據條件下的自主避障飛行實驗。
【關鍵詞】：微型旋翼無人機 航跡規(guī)劃 航跡控制 PD控制器 混合整數(shù)線性規(guī)劃
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V249
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 課題的研究背景及意義12-13
• 1.2 旋翼無人機的發(fā)展及運用13-15
• 1.3 旋翼無人機相關技術研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3.1 無人機航跡規(guī)劃15-16
• 1.3.2 無人機航跡跟蹤控制16-17
• 1.4 選題依據及研究方向與進展17-19
• 1.5 主要研究內容及結構安排19-20
• 第二章 旋翼無人機相關基礎知識概述20-29
• 2.1 旋翼飛行器特點20-21
• 2.2 飛行器運動狀態(tài)描述21-23
• 2.2.1 基本坐標系及運動參數(shù)21-22
• 2.2.2 坐標系間相互變換22-23
• 2.3 航跡規(guī)劃基礎知識23-25
• 2.3.1 數(shù)字地圖技術23-25
• 2.3.2 無人機性能約束25
• 2.4 經典航跡規(guī)劃算法原理25-28
• 2.4.1 Voronoi圖法25-26
• 2.4.2 A* 算法26-27
• 2.4.3 人工勢場法27
• 2.4.4 蟻群算法27-28
• 2.5 本章小結28-29
• 第三章 旋翼無人機航跡規(guī)劃算法研究與設計29-40
• 3.1 航跡規(guī)劃總體設計思路29-30
• 3.2 MILP航跡規(guī)劃約束集建模30-37
• 3.2.1 無人機動態(tài)性能約束30-32
• 3.2.2 障礙物回避約束32-34
• 3.2.3 地形回避約束34-36
• 3.2.4 多機避撞約束36
• 3.2.5 決策指令約束36-37
• 3.3 MILP的航跡規(guī)劃算法實現(xiàn)37-39
• 3.3.1 單機動態(tài)航跡規(guī)劃37-38
• 3.3.2 多機協(xié)同航跡規(guī)劃38-39
• 3.4 本章小結39-40
• 第四章 微型四旋翼航跡跟蹤控制器設計40-57
• 4.1 四旋翼無人機飛行原理40-42
• 4.2 微型四旋翼數(shù)學模型42-44
• 4.2.1 姿態(tài)動力學模型42-43
• 4.2.2 平移動力學模型43
• 4.2.3 旋翼動態(tài)模型43-44
• 4.3 微型四旋翼航跡跟蹤控制器設計44-50
• 4.3.1 控制器總體設計44-46
• 4.3.2 內環(huán)姿態(tài)控制器設計46-48
• 4.3.3 外環(huán)位置跟蹤控制器設計48-50
• 4.4 航跡跟蹤控制器仿真驗證及結果分析50-56
• 4.4.1 姿態(tài)控制器仿真結果分析51-53
• 4.4.2 離散航點跟蹤控制仿真結果分析53-54
• 4.4.3 連續(xù)航跡跟蹤控制仿真結果分析54-56
• 4.5 本章小結56-57
• 第五章 基于四旋翼平臺的綜合系統(tǒng)硬件集成與軟件實現(xiàn)57-71
• 5.1 系統(tǒng)功能需求分析57-58
• 5.2 系統(tǒng)總體設計58-59
• 5.3 綜合系統(tǒng)硬件平臺簡介59-64
• 5.3.1 四旋翼自主飛行控制系統(tǒng)59-62
• 5.3.2 數(shù)據通信鏈路62-63
• 5.3.3 地面控制站及人工干預63
• 5.3.4 軟件開發(fā)平臺63-64
• 5.4 綜合系統(tǒng)軟件設計64-70
• 5.4.1 航跡規(guī)劃軟件設計64-66
• 5.4.2 自主飛行控制軟件設計66-69
• 5.4.3 通信數(shù)據鏈設計69-70
• 5.5 本章小結70-71
• 第六章 綜合系統(tǒng)實驗驗證71-84
• 6.1 系統(tǒng)驗證概述71
• 6.2 基于MILP的航跡規(guī)劃實現(xiàn)71-74
• 6.2.1 單機避障航跡規(guī)劃71-73
• 6.2.2 多機協(xié)同航跡規(guī)劃73-74
• 6.3 微型四旋翼自主飛行控制實驗74-80
• 6.3.1 飛行器狀態(tài)估計74-76
• 6.3.2 姿態(tài)跟蹤控制測試76
• 6.3.3 速度跟蹤控制76-77
• 6.3.4 定點懸�？箶_動測試77-78
• 6.3.5 航點跟蹤飛行實驗78-80
• 6.4 自主避障飛行實驗80-83
• 6.4.1 飛行實驗環(huán)境描述80-81
• 6.4.2 飛行實驗內容81-82
• 6.4.3 自主避障飛行實驗82-83
• 6.5 本章小結83-84
• 第七章 總結與展望84-86
• 7.1 主要工作及貢獻84-85
• 7.2 未來研究展望85-86
• 致謝86-87
• 參考文獻87-92
• 攻碩期間取得的研究成果92-93

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據庫 前1條

1 蘇丙末,曹云峰,陳欣,萬勝;基于BACKSTEPPING的無人機飛控系統(tǒng)設計研究[J];南京航空航天大學學報;2001年03期

中國碩士學位論文全文數(shù)據庫 前1條

1 岳基隆;四旋翼無人機自適應控制方法研究[D];國防科學技術大學;2010年

  本文關鍵詞：微型旋翼無人機航跡規(guī)劃與航跡跟蹤控制系統(tǒng)設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：306072