超宽带通信与光流辅助定位的四旋翼无人机室内导航飞行

摘要

随着科学技术的发展，小型多旋翼无人机的应用越来越广泛，也越来越智能。但在无GPS信号的环境下，无人机无法获知自身位置，从而无法进行定位与导航飞行，使得其智能程度大大受限。近年来，诸多科研机构和专家学者提出了多种多样的无人机室内导航方案。本文以无人机室内导航飞行为应用背景，提出了基于超宽带与光流辅助定位的四旋翼无人机室内导航方法，相比于其他室内导航方案具有定位地域不受限制、定位精度高和成本低廉的优点，论文主要内容包括：
　　首先，本文提出了整个室内定位系统的结构和框架，明确了系统组成。并着重介绍了四旋翼无人机的飞行原理和本文中所定义的坐标系。
　　其次，完成了系统硬件平台设计，分为无人机飞控电路板、飞行遥控器电路板和超宽带通信基站电路板。其中，为了提升无人机室内飞行过程中的安全性，飞控电路板设计了双控制器和双惯导传感器的硬件架构，极大地提升了无人机飞行中的抗干扰能力和安全性。
　　再次，实现了无人机系统中的软件算法。在无人机的姿态求解上，本文采用四元数姿态解算算法，该算法可对无人机进行全姿态解算，并具有计算量小的优点。针对四旋翼无人机飞行过程中机架震动所产生的干扰，本文设计了扩展卡尔曼滤波器对传感器数据进行融合滤波，并对整个过程进行了推导。考虑到工程实现和无人机控制需求，设计了多级串行PID控制器进行无人机的位置和姿态控制。
　　然后，介绍了超宽带通信定位的一般方法，并提出了超宽带多基站融合定位算法，提升了定位精度。为解决超宽带通信定位采样频率低、动态响应慢和具有高频噪声的缺点，本文设计将超宽带通信定位数据与光流传感器定位数据进行融合滤波，得到动态响应更迅速，高频噪声更低的定位数据，提升了无人机机定位的精度和动态响应特性。
　　最后，进行了四旋翼无人机室内定位飞行和室内导航飞行试验。实验结果表明，本文设计的四旋翼无人机室内定位及导航飞行系统是合理、有效的。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及结构安排

第2章 系统架构及四旋翼无人机工作原理

2.1 引言

2.2 系统架构方案

2.3 四旋翼无人机的工作原理

2.3 旋转矩阵

2.4 本章小结

第3章 系统硬件结构设计

3.1 引言

3.2 飞控电路板硬件设计

3.3 遥控器电路板硬件设计

3.4 超宽带模块电路板硬件设计

3.5 本章小结

第4章 无人机系统算法设计

4.1 引言

4.2 多旋翼无人机姿态解算算法

4.3 传感器扩展卡尔曼滤波融合算法

4.4 多旋翼无人机PID控制算法

4.5 本章小结

第5章 超宽带与光流辅助定位导航系统

5.1 引言

5.2 超宽带定位方法

5.3 超宽带通信与光流融合定位

5.4 本章小结

第6章 无人机定位导航实验

6.1 引言

6.2 无人机姿态控制试验

6.3 无人机定位飞行试验

6.4 无人机室内导航飞行试验

6.5 本章小结

结论

参考文献

致谢