隨著微小型飛行器的發(fā)展,四旋翼無人機(jī)逐漸進(jìn)入了普通大眾的視野,由于四旋翼控制靈活、結(jié)構(gòu)簡單等眾多優(yōu)點(diǎn),四旋翼在航拍、救援、安防等民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多,潛在的工程應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)出了廣闊的市場前景。雖然四旋翼的應(yīng)用價(jià)值大,但也存在一些問題,例如在無GPS的山區(qū)和狹小的室內(nèi)等區(qū)域四旋翼的控制效果會大打折扣,針對這些局限性,本文設(shè)計(jì)并搭建了四旋翼無人機(jī)的軟硬件平臺,對無定位系統(tǒng)時(shí)存在的漂移問題提出了圖像光流測速算法,同時(shí)研究了四旋翼實(shí)際飛行時(shí)的姿態(tài)解算、姿態(tài)控制、位置控制問題,本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:1.分析四旋翼無人機(jī)的飛行原理、運(yùn)動模式和結(jié)構(gòu),建立了描述四旋翼運(yùn)動和受力分析的坐標(biāo)系,將四旋翼的運(yùn)動分為線運(yùn)動和角運(yùn)動兩種方式,在簡化條件下建立了四旋翼的動力學(xué)模型。2.設(shè)計(jì)了圖像光流測速系統(tǒng)。針對室內(nèi)無GPS等定位系統(tǒng)的輔助四旋翼較難控制的問題,提出了基于SAD塊匹配的光流測速算法,并對四旋翼旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)二維圖像存在的誤差作了旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償,設(shè)計(jì)了圖像設(shè)備和四旋翼之間的通信協(xié)議。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試,該系統(tǒng)能達(dá)到對四旋翼的水平漂移速度做出有效估計(jì)。3.研究了四旋翼實(shí)際控制問題。首先設(shè)計(jì)了四旋翼無人機(jī)硬件系統(tǒng),針對姿態(tài)更新時(shí)陀螺儀的漂移誤差提出了基于矢量叉積PID的姿態(tài)融合算法,實(shí)現(xiàn)四旋翼姿態(tài)角的準(zhǔn)確解算。其次設(shè)計(jì)了基于串級PID的姿態(tài)控制算法和高度控制算法,實(shí)現(xiàn)四旋翼的姿態(tài)控制和高度控制。隨后在機(jī)載圖像處理系統(tǒng)的光流速度反饋下,設(shè)計(jì)了基于串級PID的位置控制算法實(shí)現(xiàn)四旋翼的懸�？刂�。4.最后針對四旋翼的水平漂移,設(shè)計(jì)了加速度光流卡爾曼濾波融合算法,利用卡爾曼濾波對加速度計(jì)難以觀測的誤差進(jìn)行估計(jì)并消除,在此基礎(chǔ)上融合光流速度得到更加準(zhǔn)確的水平漂移速度,提高了四旋翼的姿態(tài)控制穩(wěn)定性和位置控制精度。經(jīng)過實(shí)際飛行測試,姿態(tài)控制、高度控制、加入光流的位置控制及經(jīng)過卡爾曼濾波融合的懸停位置控制均達(dá)到了期望的效果。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V249.1;TP391.41;TP273
【部分圖文】：

如圖 1.1(a)所示。(a) 第一架固定翼飛機(jī) (b) 第一架旋翼飛行器圖1.1 早期飛機(jī)飛機(jī)發(fā)明后不久 Breguet 兄弟便進(jìn)行了旋翼式飛行器的嘗試，在 1907 年完成了第一架旋翼式飛行器的制造[7]，限于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平，該飛機(jī)穩(wěn)定性很差，完全依靠人工控制，雖然實(shí)驗(yàn)失敗，但其成為了研究旋翼式飛行器的開端。無人機(jī)幾乎與有人機(jī)是同時(shí)代的產(chǎn)品[8]，1914 年英國空軍利用無線電波操控一架小型飛機(jī)試飛，由于技術(shù)不成熟，最后以失敗而告終。1917 年，美國海軍開始在飛機(jī)上使用自動陀螺穩(wěn)定器，第一個(gè)便應(yīng)用在寇蒂斯 N-9 教練機(jī)上并用無線電控制成功試飛。1935 年英國空軍研制了可以回收的“蜂后”無人機(jī)

發(fā)現(xiàn)的可能性，該機(jī)可將全方位的偵查信息通過雙向數(shù)據(jù)鏈路實(shí)時(shí)回傳。(a)“火峰”飛機(jī) (b)“偵察兵”無人機(jī)圖1.2 偵查無人機(jī)到20世紀(jì)末，隨著 GPS的普及、微機(jī)電技術(shù)的成熟和多傳感器系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)步，無人機(jī)的導(dǎo)航及控制方式有了長足的進(jìn)步，模塊的集成度越來越高。MEMS 傳感器雖然廉價(jià)但其信號噪聲大，無法直接使用，很多學(xué)者將研究重點(diǎn)放在了姿態(tài)測量的去噪濾波上。此外，微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和處理能力有了明顯提高，無人機(jī)開始向小型化發(fā)展。90 年代末至 21 世紀(jì)初，無人機(jī)在海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等幾場戰(zhàn)爭中大顯身手，比較著名的有美國通用公司的“捕食者”無人機(jī)，作戰(zhàn)半徑可達(dá) 3700 公里

還有可在航母上起降的 X-47B 隱形無人機(jī)，如圖 1.3(b)所示。(a)“捕食者” (b)“X-47B”圖1.3 察打一體無人機(jī)21 世紀(jì)以來，無人機(jī)發(fā)展迅猛，除了軍事領(lǐng)域的廣范應(yīng)用，無人機(jī)也在影視航拍、搶險(xiǎn)救災(zāi)等民用領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，尤其近年來四旋翼無人機(jī)的商業(yè)成功得以讓無人機(jī)進(jìn)入了普通大眾的視野。1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外著名大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)近年來將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)引入四旋翼無人機(jī)的相關(guān)研
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