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无人直升机最优轨迹规划设计与实现

作　者: 陈勇
导　师: 方昌始
学　校: 华南理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 无人直升机 3D-Dubins模型 最优轨迹规划 飞行调度
分类号: V249
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 117次
引　用: 4次
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内容摘要


当今，由于在民用及国防等诸多领域中的广泛应用，空中机器人技术已经越来越被人们所重视，并吸引了各国专家学者的注意。而基于模型直升机开发出来的小型旋翼空中机器人更是在近几年中得到迅速发展，并依靠其较高的灵活机动性，在各个领域展现出其独特优势。本文是在实验室已有无人直升机研究基础上，进行延续性设计和开拓性的应用。以雷虎90型模型机为平台，实验室设计了一套基于ARM7为控制核心的硬件平台，该平台的传感器数据采集和INS/GPS数据滤波功能已经实现。本文在此基础上，移植了一套经过实验验证的双闭环PID控制算法。然后调试与试飞整个系统，并完善控制器和调整控制参数，以达到理想的跟踪效果。在完成控制器调试后，依次实现了悬停、转向、定点飞行、圆弧飞行等一系列独立的飞行过程和对应的参数调试。在此基础上，按照距离最优和时间最优的原则，以扩展3D-Dubins模型，设计并实现了多个目标点巡航的轨迹规划和飞行调度。最优轨迹规划和飞行调度是本文研究的核心，最优轨迹规划是以3D-Dubins模型为飞行模型，计算空间任意两目标点间的最短飞行路径，然后在此路径上，进行约束条件下的速度调度，使无人直升机能在最短时间完成该路径的飞行。飞行调度是管理地面目标指令，调度相邻等待目标点，完成最优规划功能，使整个飞行过程按照预定的方式进行。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-16
  1.1 研究课题背景和意义  10
  1.2 无人直升机研究及其发展  10-13
  1.3 研究现状和本文结构  13-14
  1.4 名词解释  14-15
  1.5 课题来源  15-16
第二章 飞行控制系统硬件平台  16-21
  2.1 UAV 模型平台  16-17
  2.2 飞行控制硬件平台总述  17-19
    2.2.1 飞行控制计算机与协处理器  17-18
    2.2.2 传感器系统  18-19
    2.2.3 伺服系统  19
    2.2.4 地面监控系统  19
  2.3 本章小结  19-21
第三章 导航基础  21-30
  3.1 位置与速度描述  21-25
    3.1.1 地球中心坐标系  21
    3.1.2 当地水平坐标系  21-22
    3.1.3 Body - Frame  22
    3.1.4 WGS- 84 (World Geodetic System 1984) 大地坐标  22-23
    3.1.5 坐标系转换与位置/速度获取  23-25
  3.2 姿态描述  25-26
    3.2.1 UAV 姿态定义  25
    3.2.2 欧拉角表示UAV 姿态  25-26
  3.3 GPS/INS组合导航  26-29
    3.3.1 GPS/INS导航分析  26-27
    3.3.2 GPS/INS导航实现  27-29
  3.4 本章小结  29-30
第四章 控制系统实现  30-44
  4.1 控制结构图  30-33
    4.1.1 结构图模块概述  30-31
    4.1.2 过程变量描述  31-33
  4.2 控制器实现  33-36
    4.2.1 导航控制器实现  33-34
    4.2.2 姿态控制器实现  34-35
    4.2.3 控制参数调试  35-36
  4.3 参考轨迹  36-43
    4.3.1 轨迹定义  36-37
    4.3.2 轨迹集合  37-38
    4.3.3 轨迹在线计算和数学描述  38-43
  4.4 本章小结  43-44
第五章 最优轨迹规划  44-66
  5.1 飞行任务描述和分析  44-48
    5.1.1 飞行任务  44
    5.1.2 目标指令  44-46
    5.1.3 任务执行过程  46-48
  5.2 最优问题数学模型和描述  48-51
    5.2.1 UAV 最优问题数学描述  48
    5.2.2 Dubins 模型  48-49
    5.2.3 Dubins 问题的解  49-51
  5.3 距离最优规划  51-55
    5.3.1 最优Dubins 曲线  51-52
    5.3.2 求解最优Dubins 曲线  52-54
    5.3.3 Dubins模型3D 扩展  54
    5.3.4 距离最优轨迹  54-55
  5.4 时间最优二次规划  55-61
    5.4.1 时间最优问题的解  55-58
    5.4.2 3D 空间速度调度算法  58-61
  5.5 飞行调度策略  61-65
    5.5.1 点到点飞行  61-63
    5.5.2 多点飞行  63-65
  5.6 本章小结  65-66
第六章 轨迹规划实现和试飞  66-82
  6.1 软件实现  66-70
    6.1.1 状态描述类  66-67
    6.1.2 目标队列类  67-68
    6.1.3 飞行规划类  68-70
  6.2 试飞和数据分析  70-81
    6.2.1 试飞说明  70-71
    6.2.2 飞行数据  71-81
  6.3 本章小结  81-82
结论与展望  82-83
参考文献  83-87
致谢  87

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 飞行控制系统与导航
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