智能空中机器人系统的设计与实现

摘要

空中机器人指能够完成特定任务，能够在空中自主感知与飞行的无人飞行器。空中机器人系统的设计涉及众多学科，在多个领域都具有广泛应用，在技术上也具有相当的前瞻性。目前关于四旋翼无人机的多数研究，大多着重于飞行控制器的设计上，目标是设计可以在遥控器操控下稳定飞行的无人机平台。本文基于这些研究，尝试基于基于无人机平台增加任务负载，通过遥控器接口利用现有飞行控制器，设计并搭建出更具自主性的智能空中机器人，旨在研究智能空中机器人系统的设计方法及实现过程。
　　首先，本文按照智能空中机器人系统的总体设计思路，对系统的各个部分进行了设计。硬件上，搭建了空中机器人的无人机平台，选取并安装了任务传感器和机载处理平台，以及配合空中机器人搭建了地面站环境。软件上，确定了基于ROS的程序设计方式。
　　其次，讨论了空中机器人任务负载的的感知与控制接口的设计。首先介绍了ROS机器人操作系统的基本概念及基于Python的ROS节点设计思路，然后分析了PX4Flow光流传感器模块输出数据的格式及采集方法。最后介绍了机载处理平台与飞控的控制接口，及如何通过控制信号来实现空中机器人的飞行过程。
　　再次，基于系统对各部分的功能分工，完成了位姿估测器节点、控制器节点、PPM发送节点和飞行规划节点的设计与实现。
　　最后，设计了系统测试节点，并进行了系统软件测试及实际运行测试。测试结果表明，系统各个节点能够完成预先的设计功能。

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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的背景和意义

1.2智能空中机器人系统的国内外发展概况

1.3基于ROS的机器人系统设计

1.4本文主要研究内容及结构

第2章 智能空中机器人系统总体设计

2.1无人机平台设计

2.2任务负载设计

2.3系统软件实现方式

2.4地面站环境搭建

2.5系统总体方案

2.6本章小结

第3章 基于ROS的空中机器人感知与控制接口

3.1机器人操作系统

3.2 PX4Flow智能光流传感器

3.3遥控器控制接口

3.4本章小结

第4章 智能空中机器人系统的节点设计

4.1位姿估测器节点设计

4.2控制器节点设计

4.3 PPM发送节点设计

4.4飞行规划节点设计

4.5系统的ROS节点图

4.6本章小结

第5章 智能空中机器人系统的测试

5.1系统软件测试

5.2系统实际运行

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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