本文關鍵詞：無人機飛行控制與航跡規(guī)劃研究

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【摘要】：無人機飛行控制與航跡規(guī)劃做為無人機的關鍵技術,是無人機實現(xiàn)自主控制飛行的關鍵因素,是完成復雜任務、實現(xiàn)安全飛行的重要保證。本文針對上述兩個問題,進行了研究。論文以四旋翼無人機為研究平臺,對無人機的飛行控制方法與航跡規(guī)劃方法進行研究。首先,基于歐拉法建立四旋翼模型。在此基礎上,設計了一種無人機雙回路控制器�？紤]到四旋翼無人機姿態(tài)運動學與動力學的強非線性與強耦合的特點,本文采用反步法設計了內環(huán)姿態(tài)控制器,利用PID設計了外環(huán)控制器進行位置控制�；贛atlab搭建了無人機控制器仿真驗證平臺,并驗證了控制算法的正確性。為進一步驗證所設計控制器的實用性與可靠性,基于Arduino開發(fā)環(huán)境設計了四旋翼控制半實物仿真平臺,并對所設計的控制器進行驗證。實驗結果表明,論文所設計的控制器能有效跟蹤控制指令。其次,針對傳統(tǒng)幾何學搜索算法規(guī)劃獲得的航跡可飛性差的問題,提出了一種基于A*算法、微分平滑與序列二次規(guī)劃算法的航跡規(guī)劃方法。該方法利用A*算法規(guī)劃出最小代價的初始航跡,結合微分平滑方法對四旋翼動力學模型進行處理以降低非線性規(guī)劃方法的求解難度,最后利用序列二次規(guī)劃方法求解出可飛性較好的航跡。另外,對于突發(fā)威脅,設計了一種基于D*Lite、微分平滑與序列二次規(guī)劃算法的局部重規(guī)劃方法,以提高航跡規(guī)劃的可飛性。對提出的航跡規(guī)劃方法進行了模擬仿真,并與傳統(tǒng)航跡規(guī)劃方法進行比較,實驗結果顯示出該方法規(guī)劃出的航跡不可飛躍尖點明顯減少。最后,為驗證所設計的飛行控制算法與航跡規(guī)劃方法的效果,本文基于paparazzi與Flightgear開源軟件搭建了可視化模擬仿真平臺,實現(xiàn)了無人機飛行過程中的飛行姿態(tài)與位置、大氣條件與地面環(huán)境的三維可視化顯示�；诖朔抡嫫脚_下的飛行仿真在保證正確性的同時更加直觀形象,且具有實用性與良好擴展性。
【關鍵詞】：無人機 飛行控制方法 航跡規(guī)劃 視景仿真
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V279
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-18
• 1.1 研究意義10-11
• 1.2 無人機飛行控制方法與航跡規(guī)劃方法11-16
• 1.2.1 無人機控制方法11-12
• 1.2.2 航跡規(guī)劃技術12-16
• 1.3 四旋翼飛行器簡介16
• 1.4 本文主要工作16-18
• 第2章 四旋翼飛行器建模18-24
• 2.1 四旋翼飛行器飛行原理18-19
• 2.2 四旋翼飛行器模型建立19-23
• 2.2.1 飛行器姿態(tài)表示19-21
• 2.2.2 模型建立21-23
• 2.3 本章小結23-24
• 第3章 基于PID與反步法的飛行器控制器設計24-35
• 3.1 控制方法介紹24-26
• 3.1.1 PID控制原理24-25
• 3.1.2 反步法概述25-26
• 3.2 飛行器控制器設計26-30
• 3.2.1 控制器總體結構設計26-27
• 3.2.2 內環(huán)控制器27-29
• 3.2.3 外環(huán)控制器29-30
• 3.3 仿真結果30-34
• 3.3.1 數(shù)字仿真30-31
• 3.3.2 半實物仿真31-34
• 3.4 本章小結34-35
• 第4章 無人機航跡規(guī)劃方法35-52
• 4.1 航跡規(guī)劃方法綜述35-36
• 4.2 全局航跡規(guī)劃基本方法36-42
• 4.2.1 A*算法介紹36-39
• 4.2.2 微分平滑理論39-41
• 4.2.3 B樣條曲線41-42
• 4.2.4 序列二次規(guī)劃42
• 4.3 基于微分平滑的全局航跡規(guī)劃方法42-46
• 4.3.1 四旋翼微分平滑屬性判定43-44
• 4.3.2 平滑輸出B樣條參數(shù)化44-45
• 4.3.3 B樣條參數(shù)化系數(shù)序列二次規(guī)劃求解45-46
• 4.4 全局基本航跡規(guī)劃模擬仿真46-48
• 4.5 無人機三維重規(guī)劃48-51
• 4.5.1 D*Lite算法48-49
• 4.5.2 模擬仿真49-51
• 4.6 本章小結51-52
• 第5章 可視化飛行仿真平臺設計52-63
• 5.1 飛行模擬平臺總體結構52-53
• 5.2 飛行仿真模塊53-56
• 5.2.1 paparzzi開源軟件介紹53
• 5.2.2 仿真模塊總體介紹53-54
• 5.2.3 飛行器模型及其控制系統(tǒng)54
• 5.2.4 飛行數(shù)據(jù)54-55
• 5.2.5 數(shù)據(jù)傳輸模塊55-56
• 5.3 視景可視化仿真模塊56-59
• 5.3.1 視景可視化軟件56-57
• 5.3.2 視景可視化系統(tǒng)57-58
• 5.3.4 視景可視化仿真模塊運行效果58-59
• 5.4 仿真開發(fā)實例59-62
• 5.5 本章小結62-63
• 第6章 總結與展望63-65
• 參考文獻65-70
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單70-71
• 致謝71

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