基于多传感器的四旋翼无人机室内自主导航研究

发布时间：2017-05-14 04:00

  本文关键词：基于多传感器的四旋翼无人机室内自主导航研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在灾难救援活动中,具备灵活机动性的无人机正逐步显示出巨大的优势。近年来,基于GPS或SLAM的无人机导航获得了良好的实际效果。然而,在不具备明显位置标识的室内环境中,如何为无人机提供自主导航则构成了新的挑战。本文结合多传感器数据融合与四旋翼无人机控制技术,研究并实现四旋翼无人机在室内环境的自主导航,具有很强的科学价值和现实意义。依据贝叶斯滤波理论及空气动力学原理,本文建立了无人机状态模型和运动模型。考虑到无人机与地面之间的通信延迟及数据处理延迟,在状态预测时将这种延迟消去。针对旋翼无人机飞行时的倾斜,以惯性测量单元(IMU)得到的姿态作为参考对图像进行视角变换处理。在经过光流算法得到图像整体位移后使用尺度变换将像素距离转换为实际距离,然后将光流与IMU进行数据融合。实验结果表明该方法在短时间内具有较高的定位精度。在建立基于特征点的观测模型基础上,为了解决数据关联时的错误关联,本文采用了一种整体数据关联的方法,寻找局部地图与全局地图之间的最优变换。以基于粒子滤波的蒙特卡罗定位方法计算无人机在全局定位中的位置,同时采用降低权重方差、检测粒子权重变化等方法解决粒子滤波存在的粒子多样性衰竭等问题。实验结果表明,该方法具有较强的鲁棒性,满足长时间定位需求。为满足定位系统的需求,本文构建了AR. Drone四旋翼无人机的硬件及软件系统,以机器人操作系统(ROS)为基础,开发了无人机地面站的导航定位系统及控制系统。控制系统采用带限幅的PID控制器,并采用预估的方法抵消时延对控制效果的影响。导航系统将基于光流/IMU的贝叶斯定位方法与基于粒子滤波的蒙特卡罗定位方法相结合,使得系统既能快速处理短时间内的无人机定位需求,又能对无人机进行长时间精确定位。最后,为验证所研究的四旋翼无人机导航算法与技术,本文采用Gazebo构建了仿真系统,并将本文研究的算法及开发的导航软件在仿真环境中进行了测试。测试结果表明,本文设计的系统能够满足无人机室内定位的需求,具备良好的实时性、准确性及鲁棒性。
【关键词】：四旋翼无人机 自主导航 室内环境 多传感器 机器人操作系统(ROS)
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V279;TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景与意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 国外研究现状12-15
• 1.2.2 国内研究现状15-16
• 1.2.3 无人机室内自主导航的关键问题16-17
• 1.3 主要研究内容及组织结构17-19
• 1.3.1 论文研究内容17
• 1.3.2 论文章节安排17-19
• 第2章 基于贝叶斯滤波的无人机局部导航研究19-37
• 2.1 导航技术基本原理19-21
• 2.1.1 噪声及不确定度19
• 2.1.2 基本假设19-20
• 2.1.3 基本概率模型20-21
• 2.2 传感器数据处理21-27
• 2.2.1 数据传输延迟21-22
• 2.2.2 基于IMU的俯视图变换22-23
• 2.2.3 尺度估算23-24
• 2.2.4 基于光流的导航技术24-27
• 2.3 无人机状态模型的建立27-32
• 2.3.1 坐标系转换及状态空间的建立27-28
• 2.3.2 无人机运动模型28-29
• 2.3.3 状态转移模型29-30
• 2.3.4 状态预测模型30-31
• 2.3.5 状态观测模型31-32
• 2.4 实验结果及分析32-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 基于粒子滤波的无人机全局导航研究37-51
• 3.1 特征提取37-38
• 3.2 基于特征的观测模型38-42
• 3.2.1 路标测量38
• 3.2.2 数据关联38-40
• 3.2.3 基于粒子滤波的定位算法40-42
• 3.3 无人机定位算法的鲁棒性42-49
• 3.3.1 粒子匮乏42-44
• 3.3.2 动态环境干扰的抑制44-45
• 3.3.3 无人机导航实验及结果分析45-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第4章 基于ROS的室内四旋翼无人机系统设计51-61
• 4.1 无人机系统架构设计51-53
• 4.2 无人机机载系统的构建53-56
• 4.2.1 机载传感器及驱动53
• 4.2.2 数据链路53-56
• 4.3 无人机地面站系统设计56-60
• 4.3.1 ROS操作系统56-57
• 4.3.2 飞行控制器设计57-58
• 4.3.3 定位系统设计58-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 四旋翼无人机导航系统的飞行实验及分析61-73
• 5.1 实验环境设置61-62
• 5.2 无人机导航的仿真实验62-67
• 5.2.1 仿真系统的搭建62-63
• 5.2.2 仿真结果及分析63-67
• 5.3 四旋翼无人机实际飞行实验67-71
• 5.3.1 导航系统鲁棒性实验67-69
• 5.3.2 导航系统精确性实验69-71
• 5.4 本章小结71-73
• 第6章 总结与展望73-75
• 6.1 总结73
• 6.2 展望73-75
• 参考文献75-81
• 致谢81-83
• 作者简介83

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 辛健成;美国海军无人机发展历程[J];机器人技术与应用;2000年05期

2 时兆峰;以色列组建专门的无人机管理部门[J];飞航导弹;2001年10期

3 徐文;俄罗斯的无人机系统——格兰特[J];飞航导弹;2003年07期

4 何一波;各国使用的主要轻型无人机[J];飞航导弹;2003年11期

5 马晓平;系统工程学在无人机研制中的应用[J];航空科学技术;2003年04期

6 柯边;“影子200”战术无人机[J];航天电子对抗;2003年06期

7 温羡峤,李英;从美国无人机的发展来看无人机在未来战争中的应用前景[J];现代防御技术;2003年05期

8 王永寿;日本无人机的研究开发现状与动向[J];飞航导弹;2003年08期

9 袁刚辉;徐志红;;不断壮大的俄罗斯无人机家族[J];现代兵器;2003年02期

10 徐文;俄罗斯无人机的发展现状[J];飞航导弹;2004年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 王林;张庆杰;朱华勇;沈林成;;远程异地多无人机系统控制权切换技术研究[A];2009中国控制与决策会议论文集（3）[C];2009年

2 谭健美;张琚;闫娟;;信息无人机系统——无人机发展史上新的里程碑[A];第二届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2006年

3 黄爱凤;邓克绪;;民用无人机发展现状及关键技术[A];第九届长三角科技论坛——航空航天科技创新与长三角经济转型发展分论坛论文集[C];2012年

4 刘长亮;;无人机发动机气道开度自适应机构的设计与实现[A];2009年中国智能自动化会议论文集（第三分册）[C];2009年

5 丁霖;;无人机系统人机交互界面浅析[A];探索 创新 交流（第4集）——第四届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2010年

6 刘泽坤;吕继淮;;舰载无人机系统的环境适应性[A];人—机—环境系统工程创立20周年纪念大会暨第五届全国人—机—环境系统工程学术会议论文集[C];2001年

7 叶烽;宋祖勋;;无人机系统电磁兼容性测试研究[A];第十四届全国电磁兼容学术会议论文集[C];2004年

8 易当祥;吕国志;沈玲玲;;多级路况下车载无人机疲劳载荷仿真[A];第十二届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2004年

9 钱正祥;金继才;杨鹭怡;;未来局部战争中反无人机作战对策研究[A];探索创新交流－－中国航空学会青年科技论坛文集[C];2004年

10 高鹏骐;晏磊;赵红颖;何定洲;;无人机遥感控制平台的设计与实现[A];第十五届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C];2005年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 洪山;法国、德国和西班牙签约共同研发三国无人机系统[N];中国航空报;2007年

2 崔玺康;对抗无人机所面临的新挑战[N];中国航空报;2007年

3 林英;无人机将进入现代化农业领域[N];光明日报;2007年

4 本报记者 陈永杰　马佳;中国无人机亮相：战争“零伤亡”将实现[N];北京科技报;2008年

5 祖茜枫;“综合者”：携带小导弹的小无人机[N];中国国防报;2008年

6 王磊;印度期望打造强大无人机部队[N];学习时报;2009年

7 李荔;无人机“俯瞰”黄河灾情[N];北京科技报;2011年

8 本报记者 宋斌斌;我国无人机应用高端化趋势明显[N];中国工业报;2011年

9 吴飞;反恐十年无人机扶摇直上[N];中国航空报;2011年

10 司古;美无人机遭神秘病毒入侵[N];国防时报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 刘洋;动态环境中的无人机路径规划研究[D];西北工业大学;2015年

2 高九州;无人机自主着陆控制[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2016年

3 陈岩;蚁群优化理论在无人机战术控制中的应用研究[D];国防科学技术大学;2007年

4 林林;基于协同机制的多无人机任务规划研究[D];北京邮电大学;2013年

5 刘春阳;无人机隐身技术若干问题研究[D];西安电子科技大学;2012年

6 王小刚;非线性滤波方法在无人机相对导航上的应用研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

7 黄国勇;变推力轴线无人机飞行控制技术研究[D];南京航空航天大学;2009年

8 郑维刚;基于无人机红外影像技术的配电网巡检系统研究[D];沈阳农业大学;2014年

9 许德新;无人机光电载荷视轴稳定技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

10 唐晏;基于无人机采集图像的植被识别方法研究[D];成都理工大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 赵敏;分布式多类型无人机协同任务分配研究及仿真[D];南京理工大学;2009年

2 刘志花;无人机故障预测与健康管理技术研究[D];北京化工大学;2010年

3 刘爱兵;可变形无人机设计[D];南京航空航天大学;2009年

4 易姝姝;无人机飞行场景及数据的可视化仿真与实现[D];电子科技大学;2010年

5 张佳璐;无人机项目综合评价研究[D];北京邮电大学;2011年

6 赵志鸿;某型无人机双发火箭助推发射动力学建模与仿真研究[D];南京理工大学;2007年

7 李建华;某无人机发射系统技术研究[D];南京理工大学;2008年

8 戴世通;无人机飞行可视化仿真系统设计[D];西安理工大学;2008年

9 曹攀峰;敌对与非敌对环境下无人机群的协同搜索路径与策略研究[D];复旦大学;2010年

10 张锡宪;无人机测控中数据传输系统设计与实现[D];电子科技大学;2009年

  本文关键词：基于多传感器的四旋翼无人机室内自主导航研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：364194