四旋翼无人机自动着陆位姿控制策略研究

摘要

近年来四旋翼无人机发展迅速，应用范围不断扩大。但是电动无人机的续航能力受到电池的制约，运行时间短，充电过程需要人工干预，从而限制了它的应用范围。因此对无人机自动充电技术进行研究，以达到无人机长时间自动执行预定任务的目的。
　　自动着陆技术是实现自动充电的关键环节，本文针对四旋翼无人机自动着陆的位置和姿态控制策略进行研究，提出了GPS+计算机视觉导航的控制方法。
　　首先，对四旋翼无人机的自动充电装置进行总体规划，采用GPS粗定位引导无人机到达充电平台上方，当充电平台进入计算机视觉范围内时，改由计算机视觉进行精确定位，从而引导四旋翼无人机降落至充电平台。对着陆平台的识别提出了“飞行控制器+视觉服务器”的双核心架构模式用来保证系统的性能需求。阐述了四旋翼无人机进行自动充电的总体运行机制，根据任务要求设计着陆标志及论证任务开始执行时需要满足的高度要求。对整套系统的硬件部分进行分析并给出了整体结构示意图。
　　其次，对四旋翼无人机如何通过计算机视觉来获得当前姿态信息进行了研究。通过OpenCV进行相应处理采集到着陆标志中关键点的坐标信息。建立像素坐标系与世界坐标系的映射关系方程，根据得到的关键点坐标信息通过映射方程得到四旋翼降落时所需要的控制量。建立起四旋翼飞行器的空气动力学模型，利用小扰动法对建立的方程进行线性化，将相关参数带入解得四旋翼在各通道中的传递函数。
　　最后，采用串级PID的控制方法对四旋翼无人机自动着陆时的位置和姿态进行控制。并以俯仰通道为例，通过建立Simulink模型，对串级PID的响应时间、性能以及抗干扰能力进行仿真，仿真结果显示，该方法具有较好的响应时间和控制精度，能够满足无人机在充电平台上降落的位置和姿态精度要求。

目录

声明

1 绪 论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 四旋翼无人机自动着陆的国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

2 着陆方案设计

2.1 总体方案

2.2 着陆标志设计

2.3 系统硬件设计分析

2.4 本章小结

3 着陆标志识别及姿态解算

3.1 引言

3.2 树莓派概述

3.3 获取特征点位置信息

3.4 像素坐标系到世界坐标系转换

3.5 自动着陆具体策略

3.6 本章小结

4 四旋翼无人机数学模型建立

4.1 引言

4.2 动力学模型

4.3 动力学模型线性化

4.4 本章小结

5 自动着陆控制算法设计与仿真

5.1 引言

5.2 PID控制器概述

5.3 串级PID控制算法设计与仿真

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的学术成果和获奖情况

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