多旋翼式無人機(jī)自主定位與非線性控制研究

發(fā)布時間：2020-05-06 22:33

【摘要】：近年來,無人機(jī)以其體積小、機(jī)動性能強(qiáng)、可操縱性好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于社會各個方面。在軍事上,無人機(jī)可以對敵方目標(biāo)執(zhí)行偵察、打擊等任務(wù);能夠攜帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)施增強(qiáng)戰(zhàn)場上的通訊能力,提高作戰(zhàn)效率。民用方面,憑借其可定點(diǎn)懸停航拍的優(yōu)勢,被廣大攝影愛好者所青睞;同時也正逐步用于農(nóng)情監(jiān)測、農(nóng)藥噴灑、電力巡檢等方向,代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工作業(yè),促進(jìn)社會發(fā)展。實現(xiàn)無人機(jī)的上述功能,需要設(shè)計可靠的飛行算法和自主環(huán)境感知能力。因而,本文設(shè)計了基于浸入-不變集原理(immersion and invariance,II)的自適應(yīng)魯棒控制算法和基于深度視覺的環(huán)境感知算法,為上述問題的解決提供了可行性方案。首先,本文研究了無人機(jī)自主定位問題,設(shè)計了基于深度視覺的多旋翼無人機(jī)SLAM(simultaneous localization and mapping)平臺,將視覺定位感知算法與底層飛行控制算法分別運(yùn)行在不同的處理器上,實現(xiàn)系統(tǒng)的實時性與可靠性。采用基于特征點(diǎn)的檢測、匹配和解算算法,實時計算無人機(jī)移動的位姿信息,并將攝像頭采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)降孛嬲?完成對環(huán)境信息的3D點(diǎn)云重建。實驗結(jié)果表明設(shè)計的算法具有一定的穩(wěn)定性,能夠應(yīng)用到實際環(huán)境中。其次,本文分析了傾轉(zhuǎn)式三旋翼無人機(jī)的坐標(biāo)系定義及相關(guān)的坐標(biāo)變換,并利用牛頓-歐拉法為飛行器推導(dǎo)得到了姿態(tài)動力學(xué)模型和高度動力學(xué)模型。最后,針對傾轉(zhuǎn)式三旋翼無人飛行器姿態(tài)和高度系統(tǒng)存在未知擾動和模型參數(shù)不確定性的問題,提出一種基于II和RISE(Robust integral of the signum of the error)的自適應(yīng)魯棒控制器.該方法首先利用II自適應(yīng)估計未知參數(shù),保證參數(shù)估計有界并補(bǔ)償控制器輸出,然后采用RISE控制算法抑制擾動和補(bǔ)償估計誤差,應(yīng)用Lyapunov方法對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析和證明。最后進(jìn)行了實時飛行控制實驗,實驗結(jié)果表明,文中提出的控制算法,可以有效地處理擾動和未知參數(shù)帶來的影響,使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。
【圖文】：

激光雷達(dá),無人機(jī)

第一章緒論傳感器的定位方法和基于視覺信息的定位方法如圖1-1和1-2。其中，小型激光雷達(dá)由于其有限的作用距離（通常小于 30 米）主要用于走廊、樓間等結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，如圖 1 所示，，此外激光雷達(dá)的尺寸、重量、成本等因素，都限制了其在微小型無人機(jī)上的應(yīng)用[5][6]。而基于視覺的定位方法僅使用攝像頭作為外部傳感器，在成本、重量、應(yīng)用場合上具有很大優(yōu)勢，隨著機(jī)載計算能力的快速提高，基于視覺信息的無人機(jī)定位導(dǎo)航與控制研究逐漸成為研究熱點(diǎn)。圖 1-1 基于激光雷達(dá) SLAM[5]圖 1-2 基于視覺的無人機(jī) SLAM[6]無人機(jī)系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合、強(qiáng)不確定性等特性，其飛行控制算法的設(shè)計一直都是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。三旋翼無人機(jī)是旋翼式無人機(jī)的一種2

無人機(jī),三旋,強(qiáng)耦合,熱點(diǎn)