【摘要】：對四旋翼無人機而言,自主飛行能力是其進行自主智能作業(yè)的前提,而軌跡規(guī)劃能力是實現(xiàn)自主飛行的重要基礎(chǔ)。在實際的飛行任務(wù)中,無人機需要實時應(yīng)對環(huán)境中的未知障礙物,調(diào)整飛行軌跡。本文重點針對環(huán)境中可能出現(xiàn)的未知障礙物,構(gòu)建局部地圖實現(xiàn)飛行軌跡的在線重規(guī)劃,以提升四旋翼無人機的自主飛行效率和對未知環(huán)境的適應(yīng)性。本文的研究工作概括如下:一是分析了四旋翼的動力學(xué)模型及其在軌跡輸出空間滿足的微分平坦性質(zhì),并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)了基于任務(wù)多航點的全局參考軌跡規(guī)劃方法。保證了生成的全局軌跡符合四旋翼的動力學(xué)特性,并在多航點間實現(xiàn)狀態(tài)的平滑切換。二是設(shè)計并實現(xiàn)了基于均勻B樣條曲線控制點優(yōu)化的四旋翼局部軌跡規(guī)劃方法。利用B樣條曲線控制點的局部支撐性,實現(xiàn)無人機軌跡的局部調(diào)整,并不影響局部軌跡對全局軌跡的收斂性。建立了以樣條曲線控制點為優(yōu)化參數(shù)的優(yōu)化問題,并在目標函數(shù)中同時考慮了軌跡的安全性和平滑性,從而生成安全可飛的局部軌跡,并結(jié)合實驗給出了方法的性能分析。三是搭建了四旋翼軌跡規(guī)劃仿真和實際飛行測試系統(tǒng)�；贕azebo仿真環(huán)境和ROS操作系統(tǒng)搭建了軌跡規(guī)劃和跟蹤的仿真環(huán)境,并基于大疆M100無人機和Guidance視覺傳感系統(tǒng)以及機載Intel NUC電腦搭建了實際飛行測試系統(tǒng)。建立了完整的仿真實驗-實際飛行測試-數(shù)據(jù)分析平臺。對文中的軌跡規(guī)劃方法進行了仿真和飛行測試,驗證了方法的有效性。綜上,針對四旋翼無人機局部軌跡的規(guī)劃問題,本文構(gòu)建了包括視覺感知、局部地圖構(gòu)建和軌跡在線優(yōu)化在內(nèi)完整的軌跡規(guī)劃系統(tǒng),并通過飛行實驗驗證了方法的有效性。本文設(shè)計的基于B樣條曲線的軌跡優(yōu)化方法在時間開銷方面具有較好的性能,提升了四旋翼在真實環(huán)境下的自主飛行能力。
【圖文】：

利用該方法可以對果樹病害進行快速的早期診斷和病害傳播速度的監(jiān)測。旋翼無人機在農(nóng)業(yè)上的另一個應(yīng)用是農(nóng)藥的噴灑。國內(nèi)無人機公司大疆在 2015 年推出了 MG-1 農(nóng)業(yè)植保機（圖1 1(c)）。其可以進行精準的農(nóng)藥噴灑，配備的雷達感知系統(tǒng)可以實現(xiàn)前后方向的避障。并可以利用配套的管理平臺進行作業(yè)規(guī)劃、實時的飛機管理和工作統(tǒng)計。除了大疆，國內(nèi)的極飛無人機（圖1 1(d)）也是旋翼無人機在植保領(lǐng)域的應(yīng)用代表。其無人機搭載 RTK 定位系統(tǒng)提供厘米級的高精度定位，最大起飛重量 27kg，，并可以在 1-10m 的作業(yè)高度實現(xiàn) 80 畝/小時的農(nóng)藥噴灑作業(yè)。旋翼無人機在電力線路、橋梁、建筑物的巡檢方面也有著豐富的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電力巡檢需要人工實施，作業(yè)環(huán)境比較危險。用四旋翼無人機進行巡檢不但保障了人員安— 2 —

行器的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對物流環(huán)境的實時檢測。無人機可以提供高空視角，因此在航拍領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。其中具有代表性的是國內(nèi)的大疆公司的航拍無人機。圖1 3(a)是其中一款消費級的航拍無人機。其搭載云臺可以消除因為飛行帶來的相機抖動，從而提供較高的拍攝畫質(zhì)。同時，其搭載了后視視覺傳感器以及機身兩側(cè)的紅外傳感器，使得其具有４個方向的避障能力以及包含下向的環(huán)境感知能力。可以實現(xiàn)預(yù)設(shè)軌跡飛行、智能跟隨目標、指定畫面點飛行、自動返航等功能。圖1 3(b)是一款專業(yè)級航拍無人機。為了得到 360 度的畫面，排除無人機腳架對相機的遮擋，其機身可以變形使腳架向上收起。飛行過程中變化的機身結(jié)構(gòu)對該無人機的飛控系統(tǒng)提出了很高的要求。在很多場景下，對無人機的自主性有著很高的要求。其中，軌跡規(guī)劃能力是無人機自主飛行能力的重要基礎(chǔ)。軌跡規(guī)劃主要解決兩個方面的問題：第一是根據(jù)執(zhí)行的任務(wù)生成高質(zhì)量的飛行軌跡供無人機進行跟蹤。第二是在飛行過程中遇到突發(fā)障礙物的情況，對飛行軌跡進行重規(guī)劃，以保證飛行的安全。以四旋翼無人機在災(zāi)后搜救中應(yīng)用為例，軌跡規(guī)劃器一方面需要根據(jù)搜救的目標區(qū)域生成初始的軌跡供無人機進行跟蹤，另一方面
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V279;V249.1

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 梁瀟;方勇純;孫寧;;平面四旋翼無人飛行器運送系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃與跟蹤控制器設(shè)計[J];控制理論與應(yīng)用;2015年11期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 董偉;四旋翼飛行機器人高性能軌跡生成與抗擾追蹤控制技術(shù)研究[D];上海交通大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 黃敏;基于微分平坦理論的四旋翼無人機軌跡規(guī)劃的研究[D];東北大學(xué);2013年

本文編號：2678826