隨著微小型飛行器的發(fā)展,四旋翼無人機逐漸進入了普通大眾的視野,由于四旋翼控制靈活、結(jié)構(gòu)簡單等眾多優(yōu)點,四旋翼在航拍、救援、安防等民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多,潛在的工程應(yīng)用價值體現(xiàn)出了廣闊的市場前景。雖然四旋翼的應(yīng)用價值大,但也存在一些問題,例如在無GPS的山區(qū)和狹小的室內(nèi)等區(qū)域四旋翼的控制效果會大打折扣,針對這些局限性,本文設(shè)計并搭建了四旋翼無人機的軟硬件平臺,對無定位系統(tǒng)時存在的漂移問題提出了圖像光流測速算法,同時研究了四旋翼實際飛行時的姿態(tài)解算、姿態(tài)控制、位置控制問題,本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:1.分析四旋翼無人機的飛行原理、運動模式和結(jié)構(gòu),建立了描述四旋翼運動和受力分析的坐標系,將四旋翼的運動分為線運動和角運動兩種方式,在簡化條件下建立了四旋翼的動力學模型。2.設(shè)計了圖像光流測速系統(tǒng)。針對室內(nèi)無GPS等定位系統(tǒng)的輔助四旋翼較難控制的問題,提出了基于SAD塊匹配的光流測速算法,并對四旋翼旋轉(zhuǎn)運動時二維圖像存在的誤差作了旋轉(zhuǎn)補償,設(shè)計了圖像設(shè)備和四旋翼之間的通信協(xié)議。經(jīng)過實驗測試,該系統(tǒng)能達到對四旋翼的水平漂移速度做出有效估計。3.研究了四旋翼實際控制問題。首先設(shè)計了四旋翼無人機硬件系統(tǒng),針對姿態(tài)更新時陀螺儀的漂移誤差提出了基于矢量叉積PID的姿態(tài)融合算法,實現(xiàn)四旋翼姿態(tài)角的準確解算。其次設(shè)計了基于串級PID的姿態(tài)控制算法和高度控制算法,實現(xiàn)四旋翼的姿態(tài)控制和高度控制。隨后在機載圖像處理系統(tǒng)的光流速度反饋下,設(shè)計了基于串級PID的位置控制算法實現(xiàn)四旋翼的懸�？刂�。4.最后針對四旋翼的水平漂移,設(shè)計了加速度光流卡爾曼濾波融合算法,利用卡爾曼濾波對加速度計難以觀測的誤差進行估計并消除,在此基礎(chǔ)上融合光流速度得到更加準確的水平漂移速度,提高了四旋翼的姿態(tài)控制穩(wěn)定性和位置控制精度。經(jīng)過實際飛行測試,姿態(tài)控制、高度控制、加入光流的位置控制及經(jīng)過卡爾曼濾波融合的懸停位置控制均達到了期望的效果。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V249.1;TP391.41;TP273
【部分圖文】：

如圖 1.1(a)所示。(a) 第一架固定翼飛機 (b) 第一架旋翼飛行器圖1.1 早期飛機飛機發(fā)明后不久 Breguet 兄弟便進行了旋翼式飛行器的嘗試，在 1907 年完成了第一架旋翼式飛行器的制造[7]，限于當時的科學技術(shù)水平，該飛機穩(wěn)定性很差，完全依靠人工控制，雖然實驗失敗，但其成為了研究旋翼式飛行器的開端。無人機幾乎與有人機是同時代的產(chǎn)品[8]，1914 年英國空軍利用無線電波操控一架小型飛機試飛，由于技術(shù)不成熟，最后以失敗而告終。1917 年，美國海軍開始在飛機上使用自動陀螺穩(wěn)定器，第一個便應(yīng)用在寇蒂斯 N-9 教練機上并用無線電控制成功試飛。1935 年英國空軍研制了可以回收的“蜂后”無人機

發(fā)現(xiàn)的可能性，該機可將全方位的偵查信息通過雙向數(shù)據(jù)鏈路實時回傳。(a)“火峰”飛機 (b)“偵察兵”無人機圖1.2 偵查無人機到20世紀末，隨著 GPS的普及、微機電技術(shù)的成熟和多傳感器系統(tǒng)的發(fā)展進步，無人機的導航及控制方式有了長足的進步，模塊的集成度越來越高。MEMS 傳感器雖然廉價但其信號噪聲大，無法直接使用，很多學者將研究重點放在了姿態(tài)測量的去噪濾波上。此外，微型計算機的運算速度和處理能力有了明顯提高，無人機開始向小型化發(fā)展。90 年代末至 21 世紀初，無人機在海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等幾場戰(zhàn)爭中大顯身手，比較著名的有美國通用公司的“捕食者”無人機，作戰(zhàn)半徑可達 3700 公里

還有可在航母上起降的 X-47B 隱形無人機，如圖 1.3(b)所示。(a)“捕食者” (b)“X-47B”圖1.3 察打一體無人機21 世紀以來，無人機發(fā)展迅猛，除了軍事領(lǐng)域的廣范應(yīng)用，無人機也在影視航拍、搶險救災(zāi)等民用領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，尤其近年來四旋翼無人機的商業(yè)成功得以讓無人機進入了普通大眾的視野。1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外著名大學和科研機構(gòu)近年來將計算機視覺技術(shù)引入四旋翼無人機的相關(guān)研
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