【摘要】：由于四旋翼飛行器小空間內(nèi)的機(jī)動(dòng)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他傳統(tǒng)飛行器,人們常常將它用在地下、室內(nèi)、山區(qū)等環(huán)境中,但這些區(qū)域因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)受到遮擋而無(wú)法定位,這就使得四旋翼飛行器的位置跟蹤控制顯得尤為重要。近幾年,得益于機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展,基于視覺(jué)的定位方法應(yīng)運(yùn)而生并受到廣泛關(guān)注,所以在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)失效的情況下,基于視覺(jué)定位的位置跟蹤控制方法也成為解決該問(wèn)題的方案之一。本文將視覺(jué)定位的方法和位置跟蹤算法相結(jié)合,對(duì)四旋翼飛行器的位置跟蹤控制進(jìn)行研究。主要工作如下:首先,對(duì)四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)以及飛行原理進(jìn)行了分析和研究,將四旋翼飛行器假設(shè)為剛體并忽略空氣阻力等影響因素,依據(jù)物理學(xué)原理和牛頓-歐拉方程構(gòu)建出四旋翼飛行器飛行時(shí)主要的輸入輸出的關(guān)系,利用機(jī)械力學(xué)自動(dòng)分析軟件(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems,ADAMS)和數(shù)學(xué)分析軟件MATALAB構(gòu)建出四旋翼飛行器的聯(lián)合仿真模型。其次,四旋翼飛行器的位置跟蹤控制系統(tǒng)需要準(zhǔn)確的定位信息做支撐,定位信息包括姿態(tài)角信息和位置信息,其中姿態(tài)角信息通過(guò)加速度計(jì)和角速度傳感器采集的信息經(jīng)過(guò)互補(bǔ)濾波融合得到,而位置信息則通過(guò)視覺(jué)傳感器檢測(cè)得到。再次,在相對(duì)精確定位的基礎(chǔ)上,對(duì)所建立的模型進(jìn)行解耦分析,設(shè)計(jì)以姿態(tài)環(huán)為內(nèi)環(huán),位置環(huán)為外環(huán)的位置跟蹤控制系統(tǒng)。將姿態(tài)PID控制算法和姿態(tài)滑�？刂扑惴ǖ目刂平Y(jié)果進(jìn)行比較分析,滑�？刂频姆�(wěn)定性高但反應(yīng)時(shí)間較慢;進(jìn)一步設(shè)計(jì)出以姿態(tài)滑�？刂茷楹诵�,位置PID控制為外環(huán)控制的滑模PID位置跟蹤控制算法,通過(guò)聯(lián)合仿真結(jié)果可以看出,滑模PID位置跟蹤算法的超調(diào)量和反應(yīng)時(shí)間優(yōu)于PID位置跟蹤控制算法。最后,為了進(jìn)一步解決視覺(jué)定位存在問(wèn)題以及改善位置跟蹤控制算法的跟蹤控制效果,以快速特征點(diǎn)檢測(cè)算法(Features from Accelerated Segment Test,FAST)為基本再結(jié)合旋轉(zhuǎn)不變性特征點(diǎn)檢測(cè)算法(Scale Invariant Feature Transform,SIFT)進(jìn)行融合改進(jìn),進(jìn)一步使用改進(jìn)的去噪特征匹配算法進(jìn)行位置跟蹤。將改進(jìn)后的視覺(jué)匹配算法計(jì)算得到的速度信息補(bǔ)償給所設(shè)計(jì)的滑模PID位置跟蹤控制器使達(dá)到目標(biāo)位置的時(shí)速度更快的為0。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,帶速度補(bǔ)償?shù)幕ID位置跟蹤控制算法的反應(yīng)時(shí)間更快,抗干擾能力更強(qiáng)。
【圖文】：

研究背景及意義電子硬件技術(shù)和處理器運(yùn)算能力的發(fā)展，各類新型飛行器相繼應(yīng)運(yùn)而生。是近幾年最經(jīng)典的新型飛行器代表之一，它與傳統(tǒng)飛行器相比，，可以在更成低速飛行，垂直起降等高難度飛行任務(wù)，所以四旋翼飛行器在軍事、民等諸多方面有了廣泛的應(yīng)用拓展，比如完成電力巡檢、載人巡查、森林防投遞等任務(wù)，如圖 1.1 所示。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)這些任務(wù)的完成標(biāo)準(zhǔn)要求四旋翼飛行器位置跟蹤控制的精度越來(lái)越高。(a) 電力巡檢 (b) 載人巡查

(a) Breguet 兄弟設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器 (b) E.Oemichen 設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器圖 1.2 早期的四旋翼飛行器21 世紀(jì)初，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)始成熟，其重量已經(jīng)可以搭載在小型無(wú)人機(jī)上，四旋翼飛行器也正因?yàn)閼T性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)始可以真正的穩(wěn)定飛行。直到 2004 年，第一臺(tái)可以能真正意義上穩(wěn)定飛行的四旋翼飛行器在加拿大雷克海德大學(xué)誕生，這也標(biāo)志著四旋翼飛行器的研究成為新的熱點(diǎn)。2009 年俄亥俄州大學(xué)航空電子工程中心開(kāi)發(fā)了四旋翼無(wú)人機(jī)，用作導(dǎo)航傳感器測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)。四旋翼飛行器具有高達(dá) 10.6 磅的升力能力，為飛行測(cè)試新傳感器技術(shù)提供了便利[1]。2012 年里，很多關(guān)于四旋翼飛行器的研究報(bào)告相繼引起關(guān)注，最具代表性的就是賓夕法尼亞大學(xué)的 Vijay Kumar 教授在技術(shù)設(shè)計(jì)演講大會(huì)的報(bào)告，之后四旋翼飛行器受到各界更多的目光，同時(shí)也成為新的商業(yè)熱點(diǎn)之一。四旋翼飛行器在國(guó)內(nèi)的研究起步相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)較晚，但是發(fā)展速度也和中國(guó)高鐵速度一樣驚人，特別是近兩年，中國(guó)四旋翼飛行器廠商造的消費(fèi)級(jí)四旋翼飛行器已經(jīng)走進(jìn)很多國(guó)家，成為各國(guó)攝影愛(ài)好者的必備工具。同時(shí)，國(guó)內(nèi)四旋翼飛行器的研究水平已
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V249;V279

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