四旋翼微型飛行器位姿及控制策略的研究.pdf

1、現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，越來越多的國(guó)家開始使用無人飛行器進(jìn)行偵察以及軍事打擊。隨著微電子、微機(jī)電系統(tǒng)等相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，無人飛行器越來越趨于小型化，并由此催生了微型飛行器的誕生。與傳統(tǒng)的無人飛行器不同，微型飛行器尺寸小、重量輕、載荷有限，這使得其無法使用高精度的傳感器進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量，因此準(zhǔn)確的姿態(tài)估計(jì)變得十分困難。此外，微型飛行器主要工作于室內(nèi)、巷道等近地面區(qū)域，環(huán)境混亂復(fù)雜且缺乏有效的定位方法。本文以四旋翼微型飛行器為研究對(duì)象，對(duì)其位姿與控制策略

2、進(jìn)行了相關(guān)研究。
　　多數(shù)四旋翼飛行器使用陀螺儀和加速度計(jì)進(jìn)行姿態(tài)估計(jì)，相關(guān)的算法都假設(shè)飛行過程中加速度計(jì)的測(cè)量值能正確反映重力分量。本文從傳統(tǒng)的四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型入手，發(fā)現(xiàn)該模型下加速度計(jì)沿俯仰軸和橫滾軸的測(cè)量值為零，無法正確反映重力分量。然而，實(shí)際飛行中的測(cè)量數(shù)據(jù)表明，加速度計(jì)沿俯仰軸和橫滾軸的測(cè)量值并不為零，而是與重力分量的低通濾波值接近。通過對(duì)旋翼動(dòng)力學(xué)的分析，提出旋翼阻力模型。在該模型下，加速度計(jì)的理論測(cè)量值與實(shí)際測(cè)

3、量值吻合。基于該模型，提出了改進(jìn)的姿態(tài)估計(jì)算法，實(shí)驗(yàn)表明改進(jìn)算法的姿態(tài)估計(jì)精度優(yōu)于傳統(tǒng)算法。此外，還提出了基于旋翼阻力模型的速度估計(jì)方法。
　　針對(duì)四旋翼微型飛行器在無GPS環(huán)境下的定位問題，本文提出了基于光流的速度和位置估計(jì)方法。首先建立了光流與飛行速度之間的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)比了經(jīng)典的Srinivasan算法和Lucas-Kanade算法，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出使用特征匹配與LK算法相結(jié)合的光流計(jì)算方法。通過自主懸停實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了

4、光流法位置估計(jì)的有效性。
　　為了實(shí)現(xiàn)四旋翼微型飛行器在有障礙環(huán)境下的同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建(SLAM)，采用了基于線結(jié)構(gòu)光的環(huán)境測(cè)量方法。介紹了線結(jié)構(gòu)光法的測(cè)量原理，分析了影響測(cè)量的干擾因素并提出了解決方法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)量精度。提出了基于解空間搜索的掃描匹配算法，用于SLAM過程中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)計(jì)算。將光流法與線結(jié)構(gòu)光法相結(jié)合，提出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）的SLAM算法，室內(nèi)飛行實(shí)驗(yàn)表明，該算法能夠有效的進(jìn)行飛行器自身的定位