研究生開題報告--小型固定翼無人機飛行姿態(tài)檢測及控制研究

1、2012級研究生碩士學位論文開題答辯,小型固定翼無人機飛行姿態(tài)檢測及控制研究,研 究 生：學 號：導 師：日 期：,,一、研究目的和意義,二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,三、課題主要研究內(nèi)容,四、課題進度安排,五、預期達到的效果,報告框架,,,,,目的：在基于Arduino平臺的APM基礎板上，通過研究無跡卡爾曼濾波器在多傳感器信息融合的應用來提升小型固定翼無人機姿態(tài)估測的性能與可靠度，

2、進而自行設計改造一個基礎的自動駕駛儀硬件板，同時設計最優(yōu)化的控制方法，最后在小型固定翼無人機上成功的運行，為小型無人機的后續(xù)更深入研究奠定基礎。,小型無人飛機因其體積小、靈活性高、制作成本低等優(yōu)點已經(jīng)成為了目前比較熱門的研究方向。 本課題是基于ArduPilotMega(APM)開源自駕儀的小型固定翼無人機研究。,意義：當前較成熟的小型無人飛機基本都是國外產(chǎn)品，通常其價格昂貴，且核心技術保密。本課題本著低成本、高效率等前提

3、，對于國內(nèi)小型無人機未來的大規(guī)?；瘧蒙a(chǎn)和普及具有重要的推進意義。,一、研究目的和意義,二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國外研究現(xiàn)狀,自1917年英國研制出世界上第一架無人機，無人機經(jīng)歷了無人靶機、預編程控制無人機、指令遙控無人機和復合控制的多用途無人機的發(fā)展過程。無人機在越南戰(zhàn)爭，中東戰(zhàn)爭，海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭中，都卓有成效地執(zhí)行了多種軍事任務。這受到各國的青睞，為其發(fā)展提供了強大動力。 隨著各國在軍事方面的需求與電子技術

4、和航空航天技術的迅猛發(fā)展，促使世界無人機的發(fā)展進入了一個全新的時代并在20世紀末形成了三次發(fā)展浪潮：,,第一個浪潮是在海灣戰(zhàn)爭之后師級戰(zhàn)術無人機系統(tǒng)的發(fā)展。,,,第二個浪潮是中高空長航時無人機的研制。,第三個浪潮是固定翼和旋翼旅/團級戰(zhàn)術無人機系統(tǒng)的出現(xiàn)。,代表機型主要有以色列的“偵察兵”(Seout)、“先鋒”(Pioneer)、“搜索者”(Seareher)，美國的“獵人”(Hunter)、“先驅(qū)者”(Outrider)，法國的“瑪

5、爾特”(Mart)、“紅華”(CreCerelle)，德國的布雷維爾(Brevel)，加拿大的CL-289，英國的“不死鳥”(Phoenix)等。,,,,代表機型主要有美國的“捕食者”(Predator)、“全球鷹”(Global Hawk)、“暗星”(Darkstar)；以色列的“蒼鷺”(Heron)、赫爾姆斯(Hemes)以及法國的“鷹”(Eagle)、“薩若海爾”(Sarohale)等。,代表機型主要有美國的“影子”(Shadow

6、)、“火線偵察兵”(FireSeout)以及奧地利的“坎姆考普特”(Cameopter)。在這個階段主要是研究近程戰(zhàn)術無人機，供旅級部隊實施戰(zhàn)術觀察、偵察、戰(zhàn)場打擊效果評估及炮火校準任務，還可以執(zhí)行電子戰(zhàn)、無線電中繼、氣象觀測及檢查化學武器等。,二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國內(nèi)研究現(xiàn)狀,,我國對無人機的研究開始于60年代，起初主要是小型靶機和民用無人機。1972年，開始無人機的系統(tǒng)性研究工作。從事研究的機構以高校和研究所為主。近年研制的

7、通用小型無人機，機載任務設備包括攝像機、照相機、紅外、電子干擾、電子偵察設備等，有的已經(jīng)運用在軍事上。隨著我國自行研制的無人機種類越來越多，其性能也將越來越先進。但是目前一些先進的核心技術和算法仍然掌握在一些發(fā)達國家手里，要打破這種局面，我國必須擁有獨立自主的發(fā)展理念，加大在這一領域的投入。 從某種意義上講，我國的無人機研究，目前還處于一個起步階段，對于無人機的研究主要是基于技術上的創(chuàng)新

8、以及成本上的降低。無人機作為自動化導航技術應用的一個高端產(chǎn)品，代表了自動化導航技術及其應用的發(fā)展前沿。開展無人機技術的研究，無疑具有十分重要的應用價值和學術意義。,三、課題主要研究內(nèi)容,,,,,,,1,建立本課題所研究的小型固定翼無人機的相關數(shù)學模型。,研究分析三種無人機姿態(tài)解算方法（即方向余弦法、歐拉角法和四元數(shù)法）相對本課題所研究小微型固定翼無人機的各自特點，并找出適合的表示方法。,為了提升姿態(tài)的精度和可靠度，改善低成本慣性測量系統(tǒng)

9、的精度容易受引擎震動、陀螺儀漂移等的影響，研究不同的感測器融合算法以找出適用于UAV的姿態(tài)估計方法。初步打算研究基于擴展卡爾曼濾波器（EFK）和無跡卡爾曼濾波器（UKF）的姿態(tài)融合算法。并通過Matlab仿真比較兩種算法的工作性能，以找出適合的姿態(tài)融合算法，并進一步對其優(yōu)化處理。,2,3,,,三、課題主要研究內(nèi)容,,,研究小型固定翼無人機的自動化控制算法。針對其特有的小體積、低功耗等特點，設計飛行器內(nèi)環(huán)增穩(wěn)控制器、以及橫縱向解耦控制器。

10、在提高飛行穩(wěn)定性的同時，滿足對于設定航線的較好追蹤。,進行自動駕駛儀主控制模塊、姿態(tài)采集模塊、傳感器模塊、舵機控制、地面站等必要的實驗調(diào)試和飛行測試。,4,5,1. 建立小型固定翼無人機的相關數(shù)學模型,,由于不同的無人機其運動特性不同，運動特性不同其飛機控制結構和控制率參數(shù)也不同。本課題將根據(jù)小型固定翼無人機的結構參數(shù)、氣動布局和發(fā)動機性能等建立相對應的數(shù)學模型。,結構參數(shù),氣動布局,發(fā)動機性能及其它條件,,2. 三種無人機姿態(tài)估計

11、解算法,,,四元數(shù)法,歐拉角法,,,,方向余弦法,其比較,9個變量，計算時間較長。,3個變量，可能會產(chǎn)生奇異性，但是表示直觀，容易理解。,4個變量，能夠避免歐拉角的奇異性，且適合數(shù)值運算。,無人機姿態(tài)估計解算法主要有三種：方向余弦法、歐拉角法、四元數(shù)法。,3.基于擴展卡爾曼濾波器（EFK）和無跡卡 爾曼濾波器（UKF）的姿態(tài)融合算法,EKF是傳統(tǒng)非線性估計的代表，其基本思想是圍繞狀態(tài)估計值對非線性模型進行一階的Taylor展開，然

12、后應用線性系統(tǒng)Kalman濾波。,,主要缺陷,3.基于擴展卡爾曼濾波器（EFK）和無跡卡 爾曼濾波器（UKF）的姿態(tài)融合算法,UKF是一種典型的非線性變換估計，在施加非線性變換后，仍采用標準Kalman濾波。其核心是通過一種非線性變換-U變換來進行非線性模型的狀態(tài)與誤差協(xié)方差的遞推和更新。,,主要優(yōu)點,3.基于擴展卡爾曼濾波器（EFK）和無跡卡 爾曼濾波器（UKF）的姿態(tài)融合算法,,影響UKF精度的主要方面,本課題初步?jīng)Q定對

13、其初值的選取進行相關研究，以此提高UKF在小型固定翼無人機姿態(tài)估計的精度和可信度。,4. 小型固定翼無人機的自動化控制算法,無人機飛行控制系統(tǒng)是整個無人機的控制 中心，依靠其實現(xiàn)高性能的自主導航、自主飛行控制、任務管理等功能。 對于本課題研究的基于APM的小型固定翼無人機，針對其特有的小體積、低功耗等特點，設計飛行器內(nèi)環(huán)增穩(wěn)控制器、以及橫縱向解耦控制器。在提高飛行穩(wěn)定性的同時，滿足對于設定航線的較好追蹤。,,,,,橫向回

14、路,縱向回路,包含小型無人機的水平航跡控制和滾轉(zhuǎn)/偏航方向的穩(wěn)定控制；,包含利用升降舵俯仰穩(wěn)定和油門控制實現(xiàn)的高度和空速控制。,4. 小型固定翼無人機的自動化控制算法,下面是一段俯仰角的控制程序：,,int32_t tempcalc = nav_pitch_cd + fabsf(ahrs.roll_sensor * g.kff_pitch_compensation) + (g.channel_throttle.servo

15、_out*g.kff_throttle_to_pitch) -(ahrs.pitch_sensor - g.pitch_trim_cd); if (inverted_flight) {tempcalc = -tempcalc; } g.channel_pitch.servo_out = g.pidServoPitch.get_pid_4500(tempcalc, speed_scaler);,方框圖如下：,,,,,,,,

16、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,油門,滾轉(zhuǎn)角,補償量1,補償量2,微調(diào)量,測量得到的俯仰角,給定的俯仰角,PID,輸出的俯仰角,+,+,+,+,+,-,-,+,-,+,+,+,4. 小型固定翼無人機的自動化控制算法,從上面可以看出，俯仰角與滾轉(zhuǎn)和油門之間存在耦合關系。本課題打算研究姿態(tài)角之間存在的關系模型。初步思路是： 首先建立橫向和縱向回路方程，然后利用狀態(tài)反饋或輸出反饋等方法對其進行控制，最后進行比較，選取較優(yōu)

17、的方法。,5. 實驗調(diào)試和飛行測試,進行相關的軟件在環(huán)仿真、硬件在環(huán)仿真以及實物飛行測試。 主要利用X-PLANE 10 軟件進行模擬飛行測試和修正相關參數(shù)。,X-PLANE 10 的仿真界面,,,,(2013年11月~2013年12月)：搜集、匯總與課題相關文獻資料。確定課題研究方案，提出課題的大體構架。,[1]2013年12月~2014年3月：系統(tǒng)學習ArduPilotMega 理論基礎知識，整理并總結現(xiàn)有的飛控計 算方

18、法，搜集實驗 數(shù)據(jù)。,,第一階段,,[2]2014年4月~2014年10月：根據(jù)國內(nèi)外公開的研究數(shù)據(jù)，在已有研究成果的基礎上，提出新的理論方法對小型固定翼無人飛機進行相關計算，并對計算結果進行修正。,,第三階段,第二階段,(2014年10月~2014年12月)： 整理資料，撰寫論文，準備答辯。,四、課題進度安排,五、預期達到的效果,1,2,3,4,建立基于APM自駕儀小型固定翼飛機的相關數(shù)學模型。,實現(xiàn)三種無人機姿態(tài)解算法的對比，并