单/多四旋翼无人机系统平台的设计及若干应用的研究

摘要

在一些人难以进入的复杂环境中，需要无人机替代人去探测未知环境，执行搜索或者搜救任务。四旋翼无人机作为无人机家族中一个重要的分支，在这方面的应用更加突出，发展非常迅速。本文针对四旋翼无人机在这些方面的应用，设计并实现了多个四旋翼无人机系统的实验平台的搭建。该实验平台由多个四旋翼无人机组成，每个四旋翼无人机具有强大的续航能力和负载能力，方便在其上进行各种硬件的扩展。不仅如此，每个四旋翼无人机都搭载能够进行复杂计算和图像处理的上位机系统，能够被远程控制和监测，并且能够对特定目标执行搜索任务。另外，该实验平台还能够实现基本的队形控制。
　　本文的创新点和贡献在于:第一，实现了能够在跨平台的智能终端设备上对四旋翼无人机的远程控制和监测，并且自主设计了用户友好的控制界面;第二，实现了基于梯度的三角结构分布式队形控制和单个四旋翼无人机的目标搜索功能;第三，自主研发了基于ROS系统的软件架构系统，使系统的扩展性和后续的可持续开发得到增强。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 无人机研究概述

1．2．1 无人机概述

1．2．2 四旋翼无人机的发展现状

1．3 无人机编队研究概述

1．3．1 单个无人机的劣势

1．3．2 多个无人机编队的研究现状

1．4 研究内容及意义

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究意义

1．5 结构安排

1．6 本章小结

第2章 系统设计方案和预备知识

2．1 整体系统设计方案

2．2 预备知识

2．2．1 四旋翼飞行器的运动模型

2．2．2 ROS概述

2．3 本章小结

第3章 单个四旋翼无人机的设计与搭建

3．1 底层飞控系统

3．1．1 机架和动力系统

3．1．2 飞行控制核心

3．2 上层上位机系统的选择

3．2．1 上位机型号的选择

3．2．2 上位机系统与飞控的连接

3．3 四旋翼无人机软件体系架构

3．4 MAVROS介绍和应用

3．5 四旋翼无人机远程控制的实现

3．5．1 远程控制的实现

3．5．2 用户界面的设计和实现

3．6 本章小结

第4章 多四旋翼无人机系统的组网通信设计

4．1 组网通信方案的选择

4．2 ZigBee无线组网系统的搭建

4．2．1 ZigBee无线通信模块

4．2．2 无线组网拓扑

4．3 ZigBee通信模块的连接和测试

4．3．1 ZigBee通信模块的连接

4．3．2 ZigBee通信模块的测试

4．4 本章小结

第5章 无人机编队算法的应用和实现

5．1 分布式编队算法的理论原理

5．1．1 编队目标

5．1．2 分布式队形控制方法

5．2 无人机编队的实现方案

5．3 无人机编队实验测试

5．3．1 队形控制器仿真

5．3．2 四旋翼实际队形实验

5．4 本章小结

第6章 基于视觉的目标搜索的研究

6．1 目标搜索整体方案

6．2 图像处理和控制

6．2．1 图像处理

6．2．2 控制部分

6．3 实验测试和结果分析

6．3．1 图像处理测试

6．3．2 实际目标搜索测试

6．4 本章小结

第7章 总结和展望

7．1 本课题工作的总结

7．2 对下一步工作的展望

参考文献

攻读硕士期间发表的成果

致谢