本文關(guān)鍵詞：敏捷飛行器未知室內(nèi)探索與機(jī)動(dòng)控制方法

  更多相關(guān)文章： 敏捷飛行器 邊界效應(yīng) 動(dòng)力補(bǔ)償 機(jī)動(dòng)控制 未知室內(nèi)環(huán)境 自主障礙探測 路徑規(guī)劃

【摘要】：敏捷飛行器，這類飛行器小巧、靈活，它們體積小、質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)性好，可實(shí)現(xiàn)垂直起降，特別適合在近地面環(huán)境中執(zhí)行偵察、監(jiān)視和目標(biāo)捕獲及更高層任務(wù)，同時(shí)也是執(zhí)行室內(nèi)復(fù)雜任務(wù)的首選。而大范圍復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境內(nèi)的敏捷飛行器的快速靈活機(jī)動(dòng)問題一直未能得到很好解決，也成為限制敏捷飛行器實(shí)現(xiàn)偵察、監(jiān)視和目標(biāo)捕獲及更高層應(yīng)用的主要瓶頸之一。本文更側(cè)重于關(guān)注類似小型四旋翼飛行器這樣的一類敏捷飛行器在未知室內(nèi)探索與快速機(jī)動(dòng)問題。圍繞這個(gè)問題，論文主要從以下幾方面開展研究： 首先，分析了敏捷飛行器的機(jī)體構(gòu)造與飛行原理，使用Newton-Euler法，建立了飛行器的六自由度非線性動(dòng)力學(xué)模型及用四元數(shù)表示的飛行器繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。進(jìn)一步分析飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的特性，將動(dòng)力系統(tǒng)細(xì)分為電機(jī)-螺旋槳、電子調(diào)速器、電池三個(gè)部分，并逐一對三個(gè)部分進(jìn)行建模分析，最終建立了動(dòng)力系統(tǒng)的非線性模型。 在數(shù)學(xué)模型建立完成后，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適用于敏捷飛行器的飛行控制器。并在此基礎(chǔ)上，搭建了研究所需的四旋翼飛行器系統(tǒng)研究平臺(tái)，并對其內(nèi)部飛行控制算法進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其能滿足自主飛行控制的需要。針對飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中需要求解的待定系數(shù)，設(shè)計(jì)了綜合測試臺(tái)。利用該測試臺(tái)，設(shè)計(jì)了與動(dòng)力系統(tǒng)模型相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了動(dòng)力系統(tǒng)模型中的待定參數(shù)。到此，為后續(xù)研究奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 其次，提出了一種基于PC-BEPS模型的精確位姿控制方法。利用所設(shè)計(jì)的綜合測試臺(tái)對動(dòng)力系統(tǒng)特性及邊界效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在電池的有效工作時(shí)間內(nèi)，動(dòng)力系統(tǒng)輸出推力隨電池電壓下降比例達(dá)到約20%。特別是在電池的有效工作時(shí)間的后半段，動(dòng)力系統(tǒng)的這種能源特性將嚴(yán)重影響飛行控制性能。而邊界效應(yīng)可以使得飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的輸出推力增加，其增效最高可達(dá)33%。因此，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果，建立PCPS（動(dòng)力系統(tǒng)的能源特性）補(bǔ)償模型和BEPS（動(dòng)力系統(tǒng)的邊界效應(yīng)）模型，將其應(yīng)用于姿態(tài)和高度控制器中，削弱了動(dòng)力系統(tǒng)的能源特性并且補(bǔ)償了邊界效應(yīng)影響。為了解決控制器中關(guān)于推力估計(jì)的問題，在懸停狀態(tài)下，設(shè)計(jì)了觀測器對懸停狀態(tài)下推力進(jìn)行估計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的推力估計(jì)方法，在懸停狀態(tài)下可以有效地估計(jì)推力；并且所設(shè)計(jì)的控制方法不僅削弱了動(dòng)力系統(tǒng)的能源特性，而且可以有效利用邊界效應(yīng)的動(dòng)力增效功能，提升飛行器的有效工作時(shí)間，有效工作時(shí)間增加近一倍。 第三，提出了一種基于DI-DSMC的非線性機(jī)動(dòng)飛行控制方法，實(shí)現(xiàn)飛行器的大曲率高狀態(tài)變化率的機(jī)動(dòng)飛行。借助四元數(shù)表示的飛行器系統(tǒng)模型，通過選取切換函數(shù)，并構(gòu)造了新的積分滑模面，設(shè)計(jì)了DSMC（動(dòng)態(tài)滑�？刂疲┓答伩刂破鳌Ｔ摽刂破鲗ο到y(tǒng)模型參數(shù)攝動(dòng)和干擾不靈敏，同時(shí)消除了傳統(tǒng)滑模中切換函數(shù)引起的系統(tǒng)抖振現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，利用基于李導(dǎo)數(shù)的逆系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了四元數(shù)表示的飛行器系統(tǒng)的DI（動(dòng)態(tài)逆）系統(tǒng)，并使用該逆系統(tǒng)的輸出作為前饋補(bǔ)償，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了解耦，削弱了系統(tǒng)的非線性程度。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的非線性機(jī)動(dòng)飛行控制方法，實(shí)現(xiàn)了飛行器對大角度輸入的快速跟蹤，從而使飛行器具備了大曲率高狀態(tài)變化率的機(jī)動(dòng)飛行能力。 最后，針對未知室內(nèi)環(huán)境中的定位問題，實(shí)現(xiàn)了采用激光掃描測距儀替代GPS與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)同的激光輔助慣性導(dǎo)航方法。實(shí)物實(shí)驗(yàn)證明，所實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航算法可以幫助飛行器進(jìn)行有效地位置控制；進(jìn)一步地，，根據(jù)室內(nèi)未知環(huán)境特性，設(shè)計(jì)了一種LAMOV-AOD（激光輔助的單目視覺自主障礙探測）系統(tǒng)，并在所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了用于自主障礙探測的LOLE-AC（弱光增強(qiáng)自適應(yīng)）算法和DEOA（避障距離估計(jì)）算法。實(shí)物實(shí)驗(yàn)證明，LAMOV-AOD系統(tǒng)可以有效地識(shí)別障礙，甚至是在一定程度的弱光環(huán)境下；在此基礎(chǔ)上，分別針對靜態(tài)部分未知環(huán)境和靜態(tài)未知環(huán)境兩種情況，借助LAMOV-AOD系統(tǒng)，提出了SEB-LDPRM（基于傳感器的局部動(dòng)態(tài)概率地圖）和SEB-DLPA*（基于傳感器的動(dòng)態(tài)終生規(guī)劃A*）路徑規(guī)劃方法。仿真實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)路徑規(guī)劃方法可以有效地根據(jù)傳感器信息進(jìn)行在線路徑規(guī)劃與重規(guī)劃。
【關(guān)鍵詞】：敏捷飛行器 邊界效應(yīng) 動(dòng)力補(bǔ)償 機(jī)動(dòng)控制 未知室內(nèi)環(huán)境 自主障礙探測 路徑規(guī)劃
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V249.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目錄9-12
• 表目錄12-13
• 圖目錄13-17
• 縮略詞表17-18
• 第1章 緒論18-32
• 1.1 無人機(jī)系統(tǒng)概述18-20
• 1.2 國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究進(jìn)展20-28
• 1.2.1 室內(nèi)機(jī)動(dòng)飛行20-25
• 1.2.2 室內(nèi)導(dǎo)航方法25-26
• 1.2.3 室內(nèi)路徑規(guī)劃26-28
• 1.3 本文所關(guān)注問題28-29
• 1.4 論文章節(jié)安排29-31
• 1.5 本章小結(jié)31-32
• 第2章 四旋翼飛行器系統(tǒng)建模32-47
• 2.1 飛行器系統(tǒng)工作原理32-34
• 2.2 飛行器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模34-41
• 2.2.1 地面坐標(biāo)系 G34
• 2.2.2 機(jī)體坐標(biāo)系 B34-35
• 2.2.3 坐標(biāo)之間的關(guān)系35
• 2.2.4 飛行器動(dòng)力學(xué)方程35-39
• 2.2.5 飛行器運(yùn)動(dòng)學(xué)方程39
• 2.2.6 四元數(shù)表示的繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程39-41
• 2.3 動(dòng)力系統(tǒng)建模41-46
• 2.3.1 電機(jī)-螺旋槳模型42-43
• 2.3.2 電子調(diào)速器模型43
• 2.3.3 電池模型43-44
• 2.3.4 動(dòng)力系統(tǒng)模型44-46
• 2.4 本章小結(jié)46-47
• 第3章 四旋翼飛行器系統(tǒng)研究平臺(tái)設(shè)計(jì)47-69
• 3.1 飛行控制器47-58
• 3.1.1 飛行控制器需求分析47-48
• 3.1.2 飛行控制器總體結(jié)構(gòu)框架48-49
• 3.1.3 飛行控制器硬件設(shè)計(jì)49-55
• 3.1.4 飛行控制器軟件設(shè)計(jì)55-58
• 3.2 飛行器研究平臺(tái)58-61
• 3.3 飛行器綜合測試臺(tái)61-63
• 3.4 動(dòng)力系統(tǒng)模型參數(shù)估計(jì)實(shí)驗(yàn)63-67
• 3.4.1 電機(jī)與電調(diào)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)64-65
• 3.4.2 電池模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)65-67
• 3.4.3 動(dòng)力系統(tǒng)模型參數(shù)67
• 3.5 本章小結(jié)67-69
• 第4章 基于 PC-BEPS 模型的精確位姿控制方法69-97
• 4.1 PCPS 補(bǔ)償模型建模與分析69-71
• 4.2 BEPS 模型建模與分析71-74
• 4.3 基于 PC-BEPS 模型的控制算法74-75
• 4.4 懸停狀態(tài)下的推力估計(jì)方法75-83
• 4.4.1 簡化飛行器系統(tǒng)模型與動(dòng)力系統(tǒng)模型76-79
• 4.4.2 控制輸入與推力間的線性關(guān)系79-81
• 4.4.3 Luenberger 觀測器81-83
• 4.5 實(shí)驗(yàn)與分析83-95
• 4.5.1 動(dòng)力系統(tǒng)測試83-84
• 4.5.2 控制仿真實(shí)驗(yàn)84-92
• 4.5.3 推力估計(jì)實(shí)驗(yàn)92-95
• 4.6 本章小結(jié)95-97
• 第5章 基于 DI-DSMC 的非線性機(jī)動(dòng)飛行控制方法97-113
• 5.1 滑�？刂圃O(shè)計(jì)方法97-100
• 5.1.1 滑模原理97-98
• 5.1.2 動(dòng)態(tài)滑�？刂品椒�98-100
• 5.2 逆系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法100-102
• 5.3 參考模型102-103
• 5.4 DI-DSMC 非線性控制器設(shè)計(jì)103-108
• 5.4.1 DSMC 反饋通道設(shè)計(jì)103-105
• 5.4.2 DI 前饋通道設(shè)計(jì)105-108
• 5.4.3 姿態(tài)非線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)108
• 5.5 仿真與分析108-112
• 5.6 本章小結(jié)112-113
• 第6章 未知室內(nèi)環(huán)境中的定位與路徑規(guī)劃113-156
• 6.1 激光輔助慣性導(dǎo)航113-122
• 6.1.1 導(dǎo)航算法114-115
• 6.1.2 tinySLAM115-118
• 6.1.3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系118-119
• 6.1.4 實(shí)驗(yàn)與分析119-122
• 6.2 基于 LAMOV 的飛行器自主障礙探測122-135
• 6.2.1 LAMOV 系統(tǒng)及激光測距原理123-124
• 6.2.2 LOLE-AC 算法124-129
• 6.2.3 DEOA 算法129-130
• 6.2.4 實(shí)驗(yàn)與分析130-135
• 6.3 基于 SEB-LDPRM 的靜態(tài)部分未知環(huán)境路徑規(guī)劃135-146
• 6.3.1 規(guī)劃空間表示方法135-136
• 6.3.2 PRM 算法136-137
• 6.3.3 SEB-LDPRM 算法137-143
• 6.3.4 仿真與分析143-146
• 6.4 基于 SEB-DLPA*的靜態(tài)未知環(huán)境路徑規(guī)劃146-155
• 6.4.1 A*算法146-147
• 6.4.2 LPA*算法147-150
• 6.4.3 SEB-DLPA*算法150-152
• 6.4.4 仿真與分析152-155
• 6.5 本章小結(jié)155-156
• 結(jié)論與展望156-159
• 參考文獻(xiàn)159-168
• 附錄 A168-175
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單175-177
• 致謝177-179
• 作者簡介179

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：608469