微小型四旋翼無人機軌跡規(guī)劃與跟蹤研究.pdf

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

2、描述無人機空間位姿狀態(tài)的導(dǎo)航系和機體系，并用歐拉角法推導(dǎo)了兩個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系;基于牛頓和歐拉方程推導(dǎo)出了四旋翼的動力學(xué)模型。
　　其次，闡述了動態(tài)運動基元理論(DMPs)的原理，引入運動學(xué)習(xí)框架，將此方法應(yīng)用于微小型四旋翼軌跡規(guī)劃;對給定的運動樣本進行學(xué)習(xí)提取運動基元，進而將學(xué)習(xí)結(jié)果推廣到新的飛行目標(biāo)點，泛化出運動軌跡;當(dāng)新飛行任務(wù)路徑上有障礙物時，設(shè)計耦合因子進行避障軌跡規(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。

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　　再次，運用反步法為四旋翼無人機設(shè)計軌跡跟蹤控制器，包括水平欠驅(qū)動通道控制器設(shè)計和高度航向直接驅(qū)動通道控制器設(shè)計;通過定點懸停，指定圓弧、長方形軌跡和基于DMPs規(guī)劃軌跡給無人機進行跟蹤的仿真，驗證了四旋翼在所設(shè)計控制下能夠穩(wěn)定跟蹤給定軌跡。
　　最后，針對微小型四旋翼無人機飛行中狀態(tài)估計問題，給出了陀螺儀加速度計和磁強計的校正方法、加速計的低通濾波方法，四旋翼姿態(tài)估計運用互補濾波法，高度估計運用卡爾曼濾波算法，并分別通