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小型无人直升机飞行控制与实现技术研究

作　者: 林一晖
导　师: 陈谋
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 小型无人直升机视觉伺服系统辨识卡尔曼滤波图像特征提取图像配准视觉定位飞行控制不确定性建模 μ方法
分类号: V279
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 28次
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内容摘要

目前，已有不少科研机构以小型无人直升机为平台，开展视觉伺服以及飞行控制技术的研究。本文针对小型无人直升机的特点，完成对平台系统总体设计、建模、视觉定位以及鲁棒控制器设计等研究工作。论文主要工作如下：首先，给出了小型无人直升机系统总体结构，其包括飞行控制系统、地面控制站以及视觉定位系统，以及系统各硬件设备的型号、性能以及配置方法。制定了系统工作状态的描述方法，针对可能存在的系统故障提出了检测方法以及应对措施，并定义了空地通信协议。其次，利用机理分析法对直升机机体、旋翼、平衡杆、电机等各部件进行受力分析，建立了直升机的非线性模型，利用小扰动理论将其线性化得到带未知参数的状态空间模型。在对黑箱系统未知参数辨识过程中进一步将状态空间模型化简为四通道结构，减少未知参数个数。同时以子空间法辨识结果作为迭代初值，运用最小二乘法得到四通道模型，通过合并四通道并辨识剩余未知系统参数得到完整的模型参数辨识结果。随后，针对全球定位系统（GPS）在室内环境难以精确定位问题，设计了基于光学图像的定位系统。为了提高定位精度，首先对摄像头进行标定，并进行畸变校正。利用OpenCV实现图像的特征提取与特征匹配。根据相邻两帧图像的特征点对，求出相邻两帧图像的仿射变换，并综合利用卡尔曼滤波方法融合传感器数据，求解出直升机的三维空间位置以及运动状态。最后，通过对多组数据进行参数辨识的方法得到系统的摄动边界，并对传感器数据进行傅里叶变换，确定出系统的工作频段与噪声频段。在此基础上，以抑制高频噪声以及消除中低频跟踪误差为目标，利用方法为小型无人直升机设计了控制器。为了使控制器更具实用性，对控制器进行降阶，并利用相似变换将其标准化处理，大幅度减少运算量。为了验证其稳定性以及控制效果，对闭环系统进行频域分析以及时域仿真，结果表明控制效果达到要求。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-20
  1.1 课题研究的背景和意义  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-17
    1.2.1 视觉伺服控制研究现状  14-15
    1.2.2 小型无人直升机平台研究现状  15-17
  1.3 实现无人直升机平台的关键技术  17-19
  1.4 本文主要研究内容  19-20
第二章小型无人直升机平台系统构成  20-32
  2.1 引言  20
  2.2 总体方案  20-22
  2.3 小型无人直升机平台  22
  2.4 硬件系统构成  22-27
    2.4.1 中央处理器  22-23
    2.4.2 传感器  23-24
    2.4.3 无线数据传输模块  24-25
    2.4.4 图像传感器  25-27
  2.5 无人直升机软件系统  27-30
    2.5.1 系统任务构成  27
    2.5.2 系统故障诊断与处理方案  27-28
    2.5.3 通信设备驱动与空地通信协议  28-30
  2.6 本章小结  30-32
第三章共轴双旋翼无人直升机模型建立  32-50
  3.1 引言  32
  3.2 直升机非线性模型机理分析  32-39
    3.2.1 坐标系与坐标变换  32-34
    3.2.2 直升机的牛顿动力学方程  34
    3.2.3 力与力矩方程  34-35
    3.2.4 旋翼升力与力矩模型  35-37
    3.2.5 旋翼的挥舞运动  37-38
    3.2.6 阻力  38-39
    3.2.7 电机转速模型  39
  3.3 悬停点附近的气动模型小扰动线性化  39-43
  3.4 系统参数辨识  43-49
    3.4.1 系统参数辨识方法  43-45
    3.4.2 系统参数辨识结果  45-49
  3.5 本章小结  49-50
第四章无人直升机视觉定位  50-74
  4.1 引言  50
  4.2 摄像头定标与畸变校正  50-57
    4.2.1 坐标系定义  50-52
    4.2.2 摄像机内参数的计算方法  52-54
    4.2.3 图像畸变校正  54-55
    4.2.4 OpenCV 实现摄像头定标及畸变校正  55-57
  4.3 图像特征提取  57-62
    4.3.1 SIFT 变换  57-59
    4.3.2 SURF 算法  59-60
    4.3.3 ORB 算法  60
    4.3.4 OpenCV 中二维特征提取的实现与算法比较  60-62
  4.4 图像仿射变换获取  62-67
    4.4.1 最小二乘求解无剪切仿射变换  62-64
    4.4.2 鲁棒仿射变换  64-65
    4.4.3 仿射变换求解算方法验证  65-67
  4.5 三维反向求解  67-69
  4.6 卡尔曼滤波  69-73
  4.7 本章小结  73-74
第五章无人直升机飞行控制器设计  74-88
  5.1 引言  74-75
  5.2 传感器信号频率特性分析  75
  5.3 系统不确定分析  75-78
  5.4 μ方法鲁棒控制器设计  78-83
  5.5 控制器控制效果验证  83-86
  5.6 本章小结  86-88
第六章总结和展望  88-90
  6.1 论文的主要工作  88
  6.2 论文的不足和进一步展望  88-90
参考文献  90-96
致谢  96-97
在学期间的研究成果及发表的学术论文  97

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