發(fā)布時間：2020-03-23 12:59

【摘要】：依托于傳感器技術、微電子技術、濾波理論的發(fā)展以及自動控制技術在飛行器上的廣泛應用,四軸飛行器的研究得到了迅速的推進,目前在室外環(huán)境已經有了許多成熟的應用。針對四軸飛行器室內環(huán)境下的自主飛行控制問題,研究學者們相繼展開研究,并取得了一些成果。本文圍繞室內環(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)和室內自主導航系統(tǒng)兩部分,設計了基于二維激光雷達的四軸飛行器整體系統(tǒng)方案,完成了系統(tǒng)的軟硬件設計,最終實現了四軸飛行器在室內環(huán)境下的姿態(tài)控制、位置控制、自主導航探索等功能。飛行控制系統(tǒng)是四軸飛行器能夠穩(wěn)定飛行的基礎,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方法設計。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。室內自主導航系統(tǒng)是四軸飛行器在室內環(huán)境下能夠自主飛行的核心,本文設計了一種基于二維激光雷達的未知環(huán)境自主探索方案。本方案使用Hector Mapping(赫克托建圖)算法,完成了室內飛行環(huán)境的二維柵格地圖構建;基于此環(huán)境地圖、雷達二維點云數據以及上一幀位姿,構造最小二乘問題,估計當前位姿;通過設計自主確定目標點的策略,使自主導航系統(tǒng)可以引導四軸飛行器自主探索室內未知環(huán)境;同時,針對四軸飛行器實際飛行情況,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)方案設計了一系列的實驗,包括飛行控制系統(tǒng)性能實驗和室內自主導航系統(tǒng)實驗,驗證了本文室內環(huán)境下自主飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性,同時,進行了本文工作總結及未來研究展望。
【圖文】：

電子科技大學碩士學位論文動控制技術在各個領域的廣泛應用，，四軸飛行器再次回到研究學者們的并且更加趨于小型化、智能化。美國賓夕法尼亞大學 Kumar 教授團隊在四軸飛行器領域取得了豐富的研該團隊目前研究的全自主導航四軸飛行器，可用在室內外三維復雜環(huán)境進救援、和精準農業(yè)等。通過搭載三維激光雷達，該團隊實現利用微型飛行管道等關鍵基礎設施進行自主檢查。此外，依照仿生學原理給飛行機器人爪，該團隊實現了飛行器對物體的抓�。徊⑶医Y合 3D 打印技術，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 教授團隊如圖 1-1 所示：

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

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本文編號：2596759