微型旋翼無人機(jī)航跡規(guī)劃與航跡跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、近年來，隨著微型旋翼無人機(jī)在日常生活中的廣泛運(yùn)用，人們對其飛行作業(yè)時的自主性與安全性提出了更高的要求。然而，微型旋翼無人機(jī)目前正處于可變權(quán)限自主控制階段，離真正意義上的自主控制還有一定的差距，其中自動航跡規(guī)劃與自主跟蹤控制是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主化的兩個關(guān)鍵技術(shù)。
　　本文詳細(xì)闡述了基于微型四旋翼飛行器平臺的航跡規(guī)劃與航跡跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的全過程：從實(shí)際任務(wù)需求分析入手，提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，接著對航跡規(guī)劃與航跡跟蹤控制算法進(jìn)行了詳細(xì)地

2、分析并完成了航跡規(guī)劃與跟蹤控制器設(shè)計(jì)；然后搭建了微型四旋翼飛行器自主飛行控制實(shí)驗(yàn)平臺，并在該平臺上開發(fā)完成了航跡規(guī)劃軟件、自主航點(diǎn)跟蹤飛行控制軟件以及飛行器與地面航跡規(guī)劃系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信鏈路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；最后通過自主避障飛行實(shí)驗(yàn)對本文中所設(shè)計(jì)的航跡規(guī)劃與航跡跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要包含以下幾個方面的工作：
　?。?）根據(jù)微型旋翼無人機(jī)實(shí)際飛行環(huán)境，機(jī)動性能及任務(wù)需求，提出動態(tài)航跡規(guī)劃的設(shè)計(jì)要求，把實(shí)際環(huán)境中的障礙物抽象成多面體和線形

3、兩種障礙模型約束，地形回避采用不規(guī)則三角網(wǎng)格模型約束以及用圓的外接正方形對飛行器間避撞進(jìn)行約束。通過引入決策變量把上述約束統(tǒng)一到混合整數(shù)線性規(guī)劃的框架下，采用滾動時域策略求解以燃油最省、距離最短為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)動態(tài)航跡規(guī)劃。然后將該優(yōu)化問題描述為AMPL標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型語言，運(yùn)用數(shù)學(xué)求解軟件CPLEX求解，并基于GoogleEarth進(jìn)行規(guī)劃任務(wù)獲取。
　?。?）從四旋翼飛行器的基本結(jié)構(gòu)和原理分析入手，通過引入期望的俯

4、仰和滾轉(zhuǎn)角兩個虛擬控制量，將欠驅(qū)動的航跡跟蹤控制系統(tǒng)變成全驅(qū)動的控制系統(tǒng)，并采用內(nèi)環(huán)姿態(tài)、外環(huán)位置的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行航跡跟蹤控制器設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際飛行情況，對四旋翼飛行器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行合理簡化，將姿態(tài)動力學(xué)模型解耦成線性化小擾動模型，并基于此模型設(shè)計(jì)了姿態(tài)PD控制器，將位置動力學(xué)模型控制量進(jìn)行等價變換，實(shí)現(xiàn)控制量的解耦，基于有界控制理論設(shè)計(jì)了位置控制器。
　　（3）為了對所設(shè)計(jì)的航跡規(guī)劃與航跡跟蹤控制系統(tǒng)可行性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建了基于微型