可执行轻量级任务的六旋翼飞行平台研究与实现

摘要

近年来，六旋翼飞行器因为具有能够搭载多种类型的传感器、传输实时影像和探测高危地区等优点而受到了军事、商用和民用三方面的重视。六旋翼飞行平台是指搭建好的基准的六旋翼飞行器，在这个飞行平台上可以进行功能实现和算法研究。本文基于该飞行平台进行了航迹规划算法的研究，航迹规划算法能够针对不同的障碍物或威胁给旋翼飞行器智能规划出安全可行的航迹，对该平台在导航的自主性和智能性方面有非常重大的意义。在航迹规划算法中，航迹性能的评价非常重要，它主要与航迹的距离，飞行的高度和威胁指数有关。目前对航迹规划的主流算法是基于仿生学的航迹规划，但这些算法一般都存在耗时较长的问题。
　　本文首先介绍了六旋翼飞行平台的飞行原理，其次介绍了硬件设计中的主控部分和导航部分，再次介绍了软件设计中的姿态检测算法，飞行控制算法和自主导航算法，最后基于该飞行平台在航迹规划算法方面进行了深入研究。在航迹规划算法方面，使用矩形区域的草坪作为航迹规划的指定区域，区域中的树林作为障碍，飞行器穿过树林到达空旷草坪作为航迹规划的目标进行实验可以得知，使用连续域的遗传算法进行航迹规划在20次种群进化过后最短的航迹距离在150m-160m之间，算法平均耗时为15.8s；使用改进的Voronoi算法进行航迹规划的航迹距离为152.8753m，算法所耗时间为0.6s。本文针对改进Voronoi算法规划出来航迹唯一、遗传算法用于航迹规划耗时过长的缺点，研究了基于改进Voronoi图的遗传算法，该算法以改进Voronoi算法生成的航迹作为遗传算法的进化方向，让无序的种群快速进化成航迹评价高的航迹，实验结果表明一次种群进化就可以使得航迹规划出来的航迹距离在146m-147m之间，算法的平均耗时为1.7s。相比改进的Voronoi算法航迹距离缩短了3％，算法所耗时间仅为遗传算法的1/9。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2课题研究背景

1.3课题研究现状

1.4课题研究内容

1.5论文组织结构与章节安排

第二章 飞行器原理及系统模型

2.1飞行原理

2.2系统模型的建立

2.3本章小结

第三章 飞行器硬件设计

3.1硬件框架图

3.2主控部分

3.3导航部分

3.4本章小节

第四章 飞行器软件设计

4.1软件框架图

4.2飞行器的姿态检测算法

4.3飞行器的控制算法

4.4自主导航算法

4.5实验结果与分析

4.6本章小结

第五章 航迹规划算法

5.1航迹评价

5.2 Voronoi 算法

5.3 A*算法

5.4遗传算法

5.5改进的 Voronoi 算法

5.6基于改进 Voronoi 图的遗传算法

5.7本章小结

第六章 系统实验

6.1系统组成

6.2现场调试

6.3本章小结

第七章 结束语

7.1工作总结

7.2后续研究

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文