微小型四旋翼無(wú)人機(jī)軌跡規(guī)劃與跟蹤研究.pdf

1、微小型四旋翼無(wú)人機(jī)飛行方式多樣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、機(jī)動(dòng)靈活，能夠進(jìn)行航拍、植保、工業(yè)巡檢、無(wú)人偵察等多種任務(wù)，是一種在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的飛行器。微小型四旋翼無(wú)人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)依賴于軌跡規(guī)劃，且自身具有欠驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)耦合、非線性的特點(diǎn)，因此合理的軌跡規(guī)劃方法及可靠的飛控算法，對(duì)提高其智能化程度和飛行的穩(wěn)定性具有重要意義。本文重點(diǎn)對(duì)微小型四旋翼的軌跡規(guī)劃和跟蹤進(jìn)行分析和研究。主要工作如下:
　　首先，詳細(xì)分析了微小型四旋翼無(wú)人機(jī)飛行原理;引入了用于

2、描述無(wú)人機(jī)空間位姿狀態(tài)的導(dǎo)航系和機(jī)體系，并用歐拉角法推導(dǎo)了兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系;基于牛頓和歐拉方程推導(dǎo)出了四旋翼的動(dòng)力學(xué)模型。
　　其次，闡述了動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)基元理論(DMPs)的原理，引入運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)框架，將此方法應(yīng)用于微小型四旋翼軌跡規(guī)劃;對(duì)給定的運(yùn)動(dòng)樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)提取運(yùn)動(dòng)基元，進(jìn)而將學(xué)習(xí)結(jié)果推廣到新的飛行目標(biāo)點(diǎn)，泛化出運(yùn)動(dòng)軌跡;當(dāng)新飛行任務(wù)路徑上有障礙物時(shí)，設(shè)計(jì)耦合因子進(jìn)行避障軌跡規(guī)劃;仿真結(jié)果表明基于DMPs的四旋翼軌跡規(guī)劃是可行的。

3、
　　再次，運(yùn)用反步法為四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)軌跡跟蹤控制器，包括水平欠驅(qū)動(dòng)通道控制器設(shè)計(jì)和高度航向直接驅(qū)動(dòng)通道控制器設(shè)計(jì);通過(guò)定點(diǎn)懸停，指定圓弧、長(zhǎng)方形軌跡和基于DMPs規(guī)劃軌跡給無(wú)人機(jī)進(jìn)行跟蹤的仿真，驗(yàn)證了四旋翼在所設(shè)計(jì)控制下能夠穩(wěn)定跟蹤給定軌跡。
　　最后，針對(duì)微小型四旋翼無(wú)人機(jī)飛行中狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題，給出了陀螺儀加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的校正方法、加速計(jì)的低通濾波方法，四旋翼姿態(tài)估計(jì)運(yùn)用互補(bǔ)濾波法，高度估計(jì)運(yùn)用卡爾曼濾波算法，并分別通