本文關鍵詞：敏捷飛行器未知室內探索與機動控制方法

  更多相關文章： 敏捷飛行器 邊界效應 動力補償 機動控制 未知室內環(huán)境 自主障礙探測 路徑規(guī)劃

【摘要】：敏捷飛行器，這類飛行器小巧、靈活，它們體積小、質量輕、機動性好，可實現垂直起降，特別適合在近地面環(huán)境中執(zhí)行偵察、監(jiān)視和目標捕獲及更高層任務，同時也是執(zhí)行室內復雜任務的首選。而大范圍復雜室內環(huán)境內的敏捷飛行器的快速靈活機動問題一直未能得到很好解決，也成為限制敏捷飛行器實現偵察、監(jiān)視和目標捕獲及更高層應用的主要瓶頸之一。本文更側重于關注類似小型四旋翼飛行器這樣的一類敏捷飛行器在未知室內探索與快速機動問題。圍繞這個問題，論文主要從以下幾方面開展研究： 首先，分析了敏捷飛行器的機體構造與飛行原理，使用Newton-Euler法，建立了飛行器的六自由度非線性動力學模型及用四元數表示的飛行器繞質心轉動運動學模型。進一步分析飛行器動力系統的特性，將動力系統細分為電機-螺旋槳、電子調速器、電池三個部分，并逐一對三個部分進行建模分析，最終建立了動力系統的非線性模型。 在數學模型建立完成后，設計并實現了適用于敏捷飛行器的飛行控制器。并在此基礎上，搭建了研究所需的四旋翼飛行器系統研究平臺，并對其內部飛行控制算法進行重新設計，使其能滿足自主飛行控制的需要。針對飛行器動力系統的數學模型中需要求解的待定系數，設計了綜合測試臺。利用該測試臺，設計了與動力系統模型相關的實驗，通過實驗數據確定了動力系統模型中的待定參數。到此，為后續(xù)研究奠定了理論和實驗基礎。 其次，提出了一種基于PC-BEPS模型的精確位姿控制方法。利用所設計的綜合測試臺對動力系統特性及邊界效應進行實驗與分析。實驗發(fā)現，在電池的有效工作時間內，動力系統輸出推力隨電池電壓下降比例達到約20%。特別是在電池的有效工作時間的后半段，動力系統的這種能源特性將嚴重影響飛行控制性能。而邊界效應可以使得飛行器動力系統的輸出推力增加，其增效最高可達33%。因此，結合實驗和分析結果，建立PCPS（動力系統的能源特性）補償模型和BEPS（動力系統的邊界效應）模型，將其應用于姿態(tài)和高度控制器中，削弱了動力系統的能源特性并且補償了邊界效應影響。為了解決控制器中關于推力估計的問題，在懸停狀態(tài)下，設計了觀測器對懸停狀態(tài)下推力進行估計。仿真實驗表明，所設計的推力估計方法，在懸停狀態(tài)下可以有效地估計推力；并且所設計的控制方法不僅削弱了動力系統的能源特性，而且可以有效利用邊界效應的動力增效功能，提升飛行器的有效工作時間，有效工作時間增加近一倍。 第三，提出了一種基于DI-DSMC的非線性機動飛行控制方法，實現飛行器的大曲率高狀態(tài)變化率的機動飛行。借助四元數表示的飛行器系統模型，通過選取切換函數，并構造了新的積分滑模面，設計了DSMC（動態(tài)滑模控制）反饋控制器。該控制器對系統模型參數攝動和干擾不靈敏，同時消除了傳統滑模中切換函數引起的系統抖振現象。在此基礎上，利用基于李導數的逆系統設計方法，設計了四元數表示的飛行器系統的DI（動態(tài)逆）系統，并使用該逆系統的輸出作為前饋補償，改善了系統的動態(tài)響應速度，實現了解耦，削弱了系統的非線性程度。最后，通過仿真實驗證明，所設計的非線性機動飛行控制方法，實現了飛行器對大角度輸入的快速跟蹤，從而使飛行器具備了大曲率高狀態(tài)變化率的機動飛行能力。 最后，針對未知室內環(huán)境中的定位問題，實現了采用激光掃描測距儀替代GPS與慣性導航系統協同的激光輔助慣性導航方法。實物實驗證明，所實現的導航算法可以幫助飛行器進行有效地位置控制；進一步地，，根據室內未知環(huán)境特性，設計了一種LAMOV-AOD（激光輔助的單目視覺自主障礙探測）系統，并在所設計系統的基礎上，提出了用于自主障礙探測的LOLE-AC（弱光增強自適應）算法和DEOA（避障距離估計）算法。實物實驗證明，LAMOV-AOD系統可以有效地識別障礙，甚至是在一定程度的弱光環(huán)境下；在此基礎上，分別針對靜態(tài)部分未知環(huán)境和靜態(tài)未知環(huán)境兩種情況，借助LAMOV-AOD系統，提出了SEB-LDPRM（基于傳感器的局部動態(tài)概率地圖）和SEB-DLPA*（基于傳感器的動態(tài)終生規(guī)劃A*）路徑規(guī)劃方法。仿真實驗表明，所設計路徑規(guī)劃方法可以有效地根據傳感器信息進行在線路徑規(guī)劃與重規(guī)劃。
【關鍵詞】：敏捷飛行器 邊界效應 動力補償 機動控制 未知室內環(huán)境 自主障礙探測 路徑規(guī)劃
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目錄9-12
• 表目錄12-13
• 圖目錄13-17
• 縮略詞表17-18
• 第1章 緒論18-32
• 1.1 無人機系統概述18-20
• 1.2 國內外相關領域研究進展20-28
• 1.2.1 室內機動飛行20-25
• 1.2.2 室內導航方法25-26
• 1.2.3 室內路徑規(guī)劃26-28
• 1.3 本文所關注問題28-29
• 1.4 論文章節(jié)安排29-31
• 1.5 本章小結31-32
• 第2章 四旋翼飛行器系統建模32-47
• 2.1 飛行器系統工作原理32-34
• 2.2 飛行器系統動力學建模34-41
• 2.2.1 地面坐標系 G34
• 2.2.2 機體坐標系 B34-35
• 2.2.3 坐標之間的關系35
• 2.2.4 飛行器動力學方程35-39
• 2.2.5 飛行器運動學方程39
• 2.2.6 四元數表示的繞質心轉動運動學方程39-41
• 2.3 動力系統建模41-46
• 2.3.1 電機-螺旋槳模型42-43
• 2.3.2 電子調速器模型43
• 2.3.3 電池模型43-44
• 2.3.4 動力系統模型44-46
• 2.4 本章小結46-47
• 第3章 四旋翼飛行器系統研究平臺設計47-69
• 3.1 飛行控制器47-58
• 3.1.1 飛行控制器需求分析47-48
• 3.1.2 飛行控制器總體結構框架48-49
• 3.1.3 飛行控制器硬件設計49-55
• 3.1.4 飛行控制器軟件設計55-58
• 3.2 飛行器研究平臺58-61
• 3.3 飛行器綜合測試臺61-63
• 3.4 動力系統模型參數估計實驗63-67
• 3.4.1 電機與電調模型實驗設計64-65
• 3.4.2 電池模型實驗設計65-67
• 3.4.3 動力系統模型參數67
• 3.5 本章小結67-69
• 第4章 基于 PC-BEPS 模型的精確位姿控制方法69-97
• 4.1 PCPS 補償模型建模與分析69-71
• 4.2 BEPS 模型建模與分析71-74
• 4.3 基于 PC-BEPS 模型的控制算法74-75
• 4.4 懸停狀態(tài)下的推力估計方法75-83
• 4.4.1 簡化飛行器系統模型與動力系統模型76-79
• 4.4.2 控制輸入與推力間的線性關系79-81
• 4.4.3 Luenberger 觀測器81-83
• 4.5 實驗與分析83-95
• 4.5.1 動力系統測試83-84
• 4.5.2 控制仿真實驗84-92
• 4.5.3 推力估計實驗92-95
• 4.6 本章小結95-97
• 第5章 基于 DI-DSMC 的非線性機動飛行控制方法97-113
• 5.1 滑�？刂圃O計方法97-100
• 5.1.1 滑模原理97-98
• 5.1.2 動態(tài)滑�？刂品椒�98-100
• 5.2 逆系統設計方法100-102
• 5.3 參考模型102-103
• 5.4 DI-DSMC 非線性控制器設計103-108
• 5.4.1 DSMC 反饋通道設計103-105
• 5.4.2 DI 前饋通道設計105-108
• 5.4.3 姿態(tài)非線性控制系統設計108
• 5.5 仿真與分析108-112
• 5.6 本章小結112-113
• 第6章 未知室內環(huán)境中的定位與路徑規(guī)劃113-156
• 6.1 激光輔助慣性導航113-122
• 6.1.1 導航算法114-115
• 6.1.2 tinySLAM115-118
• 6.1.3 坐標系轉換關系118-119
• 6.1.4 實驗與分析119-122
• 6.2 基于 LAMOV 的飛行器自主障礙探測122-135
• 6.2.1 LAMOV 系統及激光測距原理123-124
• 6.2.2 LOLE-AC 算法124-129
• 6.2.3 DEOA 算法129-130
• 6.2.4 實驗與分析130-135
• 6.3 基于 SEB-LDPRM 的靜態(tài)部分未知環(huán)境路徑規(guī)劃135-146
• 6.3.1 規(guī)劃空間表示方法135-136
• 6.3.2 PRM 算法136-137
• 6.3.3 SEB-LDPRM 算法137-143
• 6.3.4 仿真與分析143-146
• 6.4 基于 SEB-DLPA*的靜態(tài)未知環(huán)境路徑規(guī)劃146-155
• 6.4.1 A*算法146-147
• 6.4.2 LPA*算法147-150
• 6.4.3 SEB-DLPA*算法150-152
• 6.4.4 仿真與分析152-155
• 6.5 本章小結155-156
• 結論與展望156-159
• 參考文獻159-168
• 附錄 A168-175
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單175-177
• 致謝177-179
• 作者簡介179

【參考文獻】

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本文編號：608469