基于图像距离变换算法的无人机飞行控制仿真与实践.docxVIP

PAGE 6 PAGE 6 摘 要 　　近年来，随着无人机技术不断成熟与完善，无人机在各行业中都有着广阔的应用前景，作为未来武器装备的重要组成部分，无人机智能化的研究意义非凡。本文提出了一种基于图像距离变换的无人机循迹算法，以微型四旋翼无人机作为被控对象，完成了对四旋翼无人机数学模型、视觉处理算法、飞行控制器等内容的研究，并利用 Simulink软件完成仿真和测试，最后在简单背景下成功实现四旋翼无人机对未知路径的检测和循迹。　　首先，本文分析了四旋翼无人机的结构组成，研究了其基本飞行原理，推导得出了四旋翼无人机的运动学方程并建立了数学模型。　　其次，本文设计了视觉处理算法，该算法采用基于边缘检测、图像距离变换与散点探测相结合的方法，通过对摄像头采集图像的处理实现自主飞行决策。在此基础上，依据四旋翼无人机的数学模型设计了PID飞行控制器，对不同通道的参数进行整定，并对其动态特性进行了相应分析。 　　然后，本文介绍了Simulink虚拟仿真环境，在四旋翼无人机数学模型、视觉处理算法、飞行控制器的基础上设计了仿真模型，设定了不同的任务并进行仿真验证。 　　最后，本文介绍了Parrot Mambo硬件平台，并将图像距离变换算法及PID控制器移植部署至该平台上进行循迹实验，最终成功完成无人机对于未知轨迹的自主循迹实验，效果良好。 关键词：四旋翼；图像距离变换；PID控制器；循迹 关键词： 四旋翼；图像距离变换；PID控制器；循迹 符号和缩略词说明 5 绪论 课题研究的背景与意义 　　近年来，随着微电子技术的飞速发展，无人机凭借其独特的性能，被广泛应用于各类场景，无人机行业进入了发展快车道。其体积小、成本低、控制灵活等特点及多样化的使用特性使得它在军用与民用上都有着广阔的发展前景，成为世界各国科技创新发展的重点，国内外有大量高等院校和科技公司相继对无人机展开深入研究。　　国外，斯坦福大学，宾夕法尼亚大学和麻省理工学院处于研究的最前沿[1] 。斯坦福大学在上下位机处理芯片、惯性导航原件、地面基站的基础上，进一步提升了传感器的性能，并将数据传输的方式由蓝牙传输改变为WiFi 传输[2] 。宾夕法尼亚大学开展了基于视觉图像处理的飞行器控制研究，其设计的四旋翼飞行器实现了稳定的飞行控制[3] ，麻省理工学院的G.Gowtham 开发了一种基于视觉导航定位的四旋翼无人机控制系统[4] ，能够执行各种复杂的机动飞行[5] 。 　　我国对无人机的研究起步较晚，直至上世纪70年代，我国才开始对无人机的自主研制工作，对于四旋翼无人机的研究始于20世纪末，起初的大部分研究都建立在国外成型产品的基础之上，经过数十年的发展，才取得了一些突破，从无到有逐步成为形成产业，研究成果主要集中在科研机构和重点高校。国防科技大学的研究重点是对四旋翼无人机进行建模，在模型的基础上加入了飞行姿态控制系统和自抗扰控制器，增强了飞行稳定性。2006 年大疆创新公司成立，2012年推出了到手即飞的世界首款航拍一体机“大疆精灵Phantom 1”，引领了四旋翼无人机的发展潮流，份额占据了整个无人机市场的半壁江山[6] 。2014年，清华大学学生协会成功研制了一架将相机、气压计、陀螺仪、加速度计、磁罗盘等多传感器融合的四旋翼无人机，开辟了无人机导航控制的新舞台[7] 。 　　阿塞拜疆与亚美尼亚的军事冲突，向世界展示了无人机在现代化战争中的威力，无人战场武器在未来战争中将有广阔的舞台。十九届五中全会提出了加快机械化信息化智能化融合发展的建军百年奋斗目标，无人机作为未来战场武器的重要组成部分，无论在侦察、运输还是火力打击等方面都有着广阔的应用前景。在此背景下，研究基于视觉及其他传感器的无人机运动控制以及特定目标下的无人机循迹算法，具有较强的理论价值及实践意义。 无人机导航方法介绍 　　无人机导航方法作为完成无人机航行任务的关键技术之一，是实现无人机控制的数据基础，对无人机飞行控制起着不可或缺的作用。近几年来，国内外对它的研究已经取得了一定的成果，相关技术也越来越成熟。随着无人机应用的更加广泛，导航方法重要性也愈加凸显，关于无人机导航方法的研究依旧处于热点状态，常见的导航技术有以下几种。　　惯性导航是以牛顿力学规律为基础，依托无人机上所安装的陀螺仪和加速度计，通过测量载体不同轴向的姿态及加速度信息，积分解算出无人机的瞬时速度和位置，属于航位推算的方法，作为导航技术的元老，惯性导航具有不依赖外界环境的特点，具有很强的抗干扰能力。其缺点在于其导航精度受惯性传感器（IMU）性能制约大，存在累计漂移误差，而高精度的惯性传感器往往售价高昂。　　卫星导航是现在最常用的导航技术，具有全球全天候定位，精度高，速度快的特点。目前，常见的卫星导航定位系统有美国的GPS、俄罗斯的格拉纳斯、欧洲