【摘要】：在過去的十幾年里,無人機在民用和軍用領(lǐng)域的飛速發(fā)展顯示了其未來發(fā)展的潛能,無人機相對于有人駕駛的飛機,特別是安全和成本方面具有很多突出的優(yōu)點,如在對敵人監(jiān)視,戰(zhàn)場偵探或者一些危險區(qū)域的軍事行動上,無人機代替人類飛行員承受了風(fēng)險,另外小型的無人機通常因為生產(chǎn)、維護(hù)、運營方便容易,降低了其成本,無人機的成功應(yīng)用包括監(jiān)視、偵察、戰(zhàn)場評估、目標(biāo)跟蹤和監(jiān)測、搜救、流量監(jiān)測和管道檢查等。四旋翼飛行器在飛行過程中通常依賴自身的GPS傳感器來實時估算位置和速度信息,而當(dāng)無人機需要在室內(nèi)或者比較封閉的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時,GPS信號可能很弱或者消失,這將使無人機對環(huán)境及自身的感知能力變差,影響其穩(wěn)定飛行�；诖�,本文首先搭建了一套搭載視覺傳感器四旋翼硬件系統(tǒng),然后設(shè)計了一套穩(wěn)定的控制算法,實現(xiàn)了四旋翼飛行器自主穩(wěn)定地飛行,最后設(shè)計了一種基于視覺信息輸入的四旋翼飛行器速度跟蹤飛行控制,與超聲波傳感器信息融合實現(xiàn)了四旋翼飛行器的自主定高跟隨飛行。本文以四旋翼飛行器為平臺,主要針對GPS信號弱的情況下,基于視覺信息的四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行問題進(jìn)行研究,主要研究內(nèi)容如下:1)建立了四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型以及運動學(xué)模型,攝像頭固定在機身的正下方,四旋翼的運動方程即為相機的運動方程,正常飛行過程中目標(biāo)物始終在攝像頭的中心,然而四旋翼飛行器姿態(tài)變化會導(dǎo)致目標(biāo)物偏離中心位置,從而產(chǎn)生誤判,本文建立了一個虛擬的相機平面,解決了誤判問題;2)滑�？刂频膶ο蠹皩ο蟮膮�(shù)與外界干擾無關(guān),所以魯棒性更強。然而,傳統(tǒng)的滑模控制算法會在控制過程中由于不連續(xù)的切換特性而引起系統(tǒng)抖動,從而導(dǎo)致飛行器不穩(wěn)定。針對這一問題,本章設(shè)計了基于PID滑模面的二階滑�？刂扑惴�,對飛行器飛行位置、姿態(tài)進(jìn)行控制,并與經(jīng)典的PID控制器和滑模控制器進(jìn)行了比較。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)與常規(guī)的二階滑模控制算法相比,本文所提算法響應(yīng)時間更短,調(diào)節(jié)速度更快,穩(wěn)定性更強。3)選擇合適的傳感器,搭建四旋翼飛行器的實物平臺,針對所設(shè)計的算法移植到四旋翼飛行器的硬件平臺上,通過上位機軟件實現(xiàn)一鍵起飛、降落、自主跟蹤的功能,通過虛擬示波器對實際飛行的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,實驗結(jié)果證明無論目標(biāo)物是否運動,四旋翼飛行器都能夠穩(wěn)定地飛行并懸停在其上方。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V249.1
【圖文】：

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文四旋翼飛行器因為其獨有的優(yōu)點，一個多世紀(jì)以來，無論在企業(yè)還是科研機構(gòu)都得到了廣泛的應(yīng)用。最早將控制算法應(yīng)用到飛行器上，并試飛成功的是美國RC 公司生產(chǎn)的 Draganflyer 系列的遙控飛行器[2]，如圖 1.1 所示。Draganflyer 配備先進(jìn)的慣性測量單元和可靠的飛行控制系統(tǒng)。 懸停，低速巡航，航拍等飛行任務(wù)均通過遙控器完成。Draganflyer 直升機不僅面向玩家，還為研究四旋翼飛行器的研究人員提供了二次開發(fā)模式。許多大學(xué)的研究人員正在現(xiàn)有 Draganflyer飛機的基礎(chǔ)上開展研究，并對控制算法、姿態(tài)測量、無線通信和多機協(xié)作進(jìn)行更深入的研究。

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文四旋翼飛行器因為其獨有的優(yōu)點，一個多世紀(jì)以來，無論在企業(yè)還是科研機構(gòu)都得到了廣泛的應(yīng)用。最早將控制算法應(yīng)用到飛行器上，并試飛成功的是美國RC 公司生產(chǎn)的 Draganflyer 系列的遙控飛行器[2]，如圖 1.1 所示。Draganflyer 配備先進(jìn)的慣性測量單元和可靠的飛行控制系統(tǒng)。 懸停，低速巡航，航拍等飛行任務(wù)均通過遙控器完成。Draganflyer 直升機不僅面向玩家，還為研究四旋翼飛行器的研究人員提供了二次開發(fā)模式。許多大學(xué)的研究人員正在現(xiàn)有 Draganflyer飛機的基礎(chǔ)上開展研究，并對控制算法、姿態(tài)測量、無線通信和多機協(xié)作進(jìn)行更深入的研究。

圖 1.3 Solo 無人機 圖 1.4 M100控制及圖傳技術(shù)作為技術(shù)的核心未對外開放，但是有一款 M100 四旋翼無人飛行器可以作為平臺進(jìn)行二次開發(fā)，如圖 1.4，可以通過串口發(fā)送控制指令給飛行控制器。2017 年的大疆精靈 4 除了攜帶高清攝像頭進(jìn)行航拍以外，還考慮到無GPS 環(huán)境下的問題，在四旋翼無人飛行器的機身前，后方及底部均配備了雙目視覺傳感器，在飛行過程中根據(jù)視覺信息可以實現(xiàn)定位懸停，見圖 1.5(a)。同年生產(chǎn)的另一款無人機御（MAVIC）專門針對航拍愛好者設(shè)計，圖像傳輸距離高達(dá) 7 公里，配備雙目立體視覺環(huán)境感知系統(tǒng)可以檢測到前方 15 米內(nèi)的物體，攜帶 4K 高清相機和三軸機械云臺，見圖 1.5(b)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 趙晨;杜勇;;四旋翼無人機在輸電線路巡視中的應(yīng)用[J];湖北電力;2012年06期

2 王璐;李光春;王兆龍;焦斌;;欠驅(qū)動四旋翼無人飛行器的滑�？刂芠J];哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報;2012年10期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 鄭偉;基于視覺的微小型四旋翼飛行機器人位姿估計與導(dǎo)航研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前8條

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2 霍璐;旋翼無人機對地目標(biāo)檢測與態(tài)勢估計方法研究[D];中國民航大學(xué);2016年

3 劉歡敏;基于四旋翼無人飛行器的地面運動目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)研究[D];湖南工業(yè)大學(xué);2015年

4 宋昱慧;基于單目視覺的四旋翼無人機位姿估計與控制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

5 洪怡琳;多旋翼飛行器基于單目視覺的動態(tài)目標(biāo)跟蹤[D];大連理工大學(xué);2015年

6 馬良;四旋翼無人機地面目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D];東南大學(xué);2015年

7 朱瑋;基于視覺的四旋翼飛行器目標(biāo)識別及跟蹤[D];南京航空航天大學(xué);2014年

8 國倩倩;微型四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計及控制方法研究[D];吉林大學(xué);2013年

本文編號：2750259