Автореферат (Автономная система управления полетом квадрокоптера с возможностью облета препятствий и комплексной навигацией)

УДК 519.71: 629.05На правах рукописиГэн Кэ КэАВТОНОМНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМКВАДРОКОПТЕРА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ОБЛЕТА ПРЕПЯТСТВИЙ ИКОМПЛЕКСНОЙ НАВИГАЦИЕЙСпециальность 05.13.01 –Системный анализ, управление и обработка информации(в технических системах)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в федеральном государственномбюджетномобразовательномучреждениивысшегообразования«Московскийгосударственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальныйисследовательский университет) » – МГТУ им. Н.Э. Баумана.Научный руководитель:Чулин Николай Александрович,кандидат технических наук, доценткафедры «Системы автоматического управления»МГТУ им. Н.Э.

БауманаОфициальные оппоненты:Дивеев Асхат Ибрагимович,доктор технических наук, профессор,заведующий сектором проблем кибернетики ФИЦ«Информатика и управление» РАН, заведующийкафедрой кибернетики и мехатроники РУДНКосинский Михаил Юрьевич,кандидат технических наук, доцент,начальник отделаФГУП «Московское опытно-конструкторское бюро«МАРС»Ведущая организация:Филиал ФГУП «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ им. академикаВ. И. Кузнецова»Защита состоится «12» сентября 2017г. в 16:30 на заседании диссертационногосовета Д 212.141.02 при МГТУ им.

Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва,Госпитальный пер., д. 10, ауд. 613м.С диссертацией можно ознакомитьсяhttp://www.bmstu.ru МГТУ им. Н.Э. Баумана.вбиблиотекеинасайтеОтзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения,просьба направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.

5,стр. 1,МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного советаД 212.141.02.Автореферат разослан «___ » ______2017 г.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат технических наук, доцентМуратов И.В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Квадрокоптер представляет собой беспилотныйлетательный аппарат (БПЛА), имеющий четыре двигателя с воздушными винтами(пропеллерами), создающими тягу. В настоящее время подобные аппаратыиспользуются достаточно широко и разнообразно, но это использованиеограничено в основном режимами «ручного» дистанционного управления спульта оператора.

Причина ограничений - низкая автономность квадрокоптераиз-за сложности автоматического облета различных препятствий, особенноподвижных в сложной среде и автономной навигации в случае отсутствия сигналаспутниковой навигационной системы (СНС). Актуальной является задачаразработки автономной системы управления полетом, позволяющей осуществлятьполёт квадрокоптера по cпланированному маршруту с возможностью облетапрепятствий и автономной навигацией.Вклад в развитие данной области знаний внесли ряд китайских, русскихученых и ученых из других стран, результаты которых использовались привыполнении работы: N.Buniyamin, M.A.Garcia, O.Montiel, O.Castillo,P.Bhattacharya, Е.А.Гастилович, О.Б.Лебедев, В.С.Щербаков, А.В.Назарова,И.О.Шаповалов, В.В.Шадрина, П.Е.Подлипьян, Н.А.Максимов, А.Н.Козуб,Д.П.Кучеров (планирование глобального маршрута); A.D.Pearse, S.A.Gaskell,R.Marks, J.M.Yang, S.B.Tkachev, R.C.Coulter, E.Johnson, П.М.Соколова(отслеживание траектории); H.Chen, K.C.Chang, Л.Тань, Q.B.Zhu, Y.Q.Qin,S.X.Yang, J.Barraquand, J.J.Kuffner, J.B.Mbede, J.L.Ganley, B.J.Krose, M.Eecen,J.P.Cohoon, Д.Н.Сузанский, Г.Н.Лебедев, В.А.Попов, В.М.Поединок, А.И.Дивеев,А.В.Румакина, А.Г.Булгаков, А.А.Евгенов, А.Э.Бунаков, Н.М.Гревцов (облетпрепятствий); B.Yue, T.Dierks, Н.А.Чулин, Манфред Шляйхер, А.С.Ющенко,С.Л.Зенкевич, О.С.Салычев, А.А.Ардентов, И.Ю.Маштаков, А.Ю.

Попов,Ю.Л.Сачков, Е.Ф.Сачкова, А.С.Сыров, А.М.Пучков, В.В.Солодовников (системыстабилизации, траекторного и углового управления полетом); L.Tong, Y.M.Zhang,Z.Yi, А.Е.Голубев, А.Е.Гурьянов, С.Л.Зенкевич, И.И.Огольцов, Н.Б.Рожнин,В.В.Шеваль (математическая модель квадрокоптера); P.Newman, S.Clark,O.Naroditsky, J.Bergen, C.F.Weiman, S.J.King, J.Biswas, П.М.Кузнецов, В.А.Бобков,В. Г. Логачев, И. В. Минин, Р.

В. Кучерский, Б. Б. Михайлов, В.Г.Волков,О.В.Востриков, И.М.Кузнецов, А.Н.Пронькин, К.К.Веремеенко, А.И.Гаврилов(визуальная навигационная система на основе алгоритма SLAM); L.Ran, S.Helal,S.Moore, C.W.Johnson, K.W.McElreath, T.N.Upadhyay, A.W.Deaton, К.А.Неусыпин,О.С.Салычев, А.В.Фомичев, В.В.Лукьянов, Б.С.Алешин, А.Н.Пронькин,И.М.Кузнецов, В.М.Синеглазов, Ш.И.Аскеров, Е.С.Лобусов (комплекснаянавигационная система).Рабочая среда полета квадрокоптера становится все более сложной в связи срасширением области применения этих летательных аппаратов. Она может бытьнаполнена различными препятствиями (подвижными и неподвижными).

В нейможет отсутствовать сигнал СНС. Большинство алгоритмов планированиямаршрута и систем управления, описанных в литературе, достаточно хорошопроработаны для применения в детерминированной статической известной среде,1но в сложной неизвестной среде с различными препятствиями и влияниямиатмосферы не обеспечивают достаточную работоспособность.

Существующие дляквадрокоптеров комплексные навигационные системы (КНС) не могут обеспечитьдостоверность навигационной информации(НИ) в случае отсутствия сигнала СНС.Во всем мире ведутся интенсивные исследования по технологиям навигацииквадрокоптера с использованием визуальной навигационной системы (ВНС) наоснове одновременной локализации и картографирования (SLAM), с помощьюкомпьютерного зрения, ориентиров, карты местности и др.

Использование ВНСпозволяет достичь высокой точности навигации для квадрокоптера, особенно внеизвестной динамической среде без сигнала СНС, но данное использованиеограничено для квадрокоптера из-за низкой скорости вычисления алгоритмовобработки изображений и SLAM.Таким образом, решение и исследование указанных проблем весьмаактуально и имеет важное практическое значение.Цель диссертационной работы заключается в разработке автоматическойсистемы управления полетом квадрокоптера, позволяющей обеспечитьавтономный полёт по спланированному маршруту с возможностью облетапрепятствий в сложной среде и автономной навигацией.Для достижения поставленной цели требуется решить следующие основныезадачи:1. Разработка алгоритма планирования пространственного глобальногомаршрута в известной среде с неподвижными препятствиями;2.

Разработка алгоритма отслеживания спланированного маршрута в режимереального времени;3. Разработка алгоритма облета препятствий в сложной среде дляквадрокоптера;4. Разработка системы траекторного и углового управления полетомквадрокоптера по заданному маршруту;5. Построение уточненной математической модели квадрокоптера с учётомгироскопических эффектов винтов и моторов, влияния ветра и экранного эффектаповерхности Земли;6.

Разработка алгоритмического и программного обеспечения визуальнойнавигационной системы (ВНС) для квадрокоптера на основе алгоритмаодновременной локализации и картографирования (SLAM) ;7. Разработка КНС, учитывающей достоверность и статистическиехарактеристики входящих в неё источников информации;Методы исследования. При решении задач, рассматриваемых в диссертации,были использованы методы математического анализа и моделирования, синтезалинейных (ПИД) и нелинейных (бэкстеппинг) регуляторов, управления поворотомвектора скорости, тесты хи-квадрат по остаточной ошибке и по состоянию,одновременной локализации и картографирования, назначения весов для слиянияданных, линейной и нелинейной калмановской фильтрации.

В процессематематического моделирования применялись вычислительные системы:программный комплекс "Универсальный механизм" (УМ), инструмент23D-моделирования Solidworks, C++(язык программирования), средамоделирования MATLAB.Научная новизна. К числу новых научных результатов, полученных вдиссертации, относятся:1. Предложен алгоритм планирования пространственного глобальногомаршрута на основе представления информации о среде в виде облачно-точечнойкарты и улучшенного муравьиного алгоритма с возможностью эффективногоиспользования имеющейся известной информации о среде и быстрого полученияглобального маршрута с меньшим количеством путевых точек;2.

Разработан алгоритм отслеживания спланированного маршрута на основемодификации метода «L1» путем адаптивного выбора опорных точекотслеживания на маршруте;3. Предложен алгоритм облета неподвижных и подвижных препятствий,позволяющий управлять поворотом вектора скорости квадрокоптера в реальномвремени;4. Предложен улучшенный алгоритм SLAM с расширенным фильтромКалмана (EKF-SLAM) с адаптивным диапазоном наблюдения и локальнойассоциации данных, на основе которого разработано алгоритмическое ипрограммное обеспечение визуальной навигационной системы;5. Разработана структура и математическая модель КНС, использующаямодификации многоуровневого фильтра Калмана для компенсации погрешностейНИ от нескольких источников с возможностью обнаружения и изоляциинеисправностей.Практическая ценность работы заключается в следующем:1.

Предлагаемая КНС с разными навигационными режимами, используяпоказания дополнительных датчиков, позволяет повысить точность навигации ирасширить область применения БПЛА в отсутствии сигнала СНС;2. Разработанный интерфейс пользователя комплексной навигационнойсистемы может быть использован на наземной станции для наблюдения заполетом БПЛА и работой датчиков в режиме реального времени;3. Разработанопрограммно-алгоритмическоеобеспечение(ПАО)многорежимнойподсистемыугловогоуправлениянаосновебэкстеппинг-регуляторов, автоматически выбираемых в соответствии сусловиями полёта (высота, угловое положение, ветровые воздействия, режимывзлёта-посадки), позволяющее повысить стабильность полета БПЛА в среде светром и вблизи поверхности Земли с возможностью аварийного возврата кисходной точке в сложных погодных условиях;4.

Предложны более простые для бортовой реализации алгоритмы облетапрепятствий и отслеживания заданного маршрута в режиме реального времени наоснове управления поворотом вектора скорости, которые могут бытьиспользованы для БПЛА и наземных подвижных объектов.Внедрениерезультатовработы.Результатыдиссертационныхисследований и разработанное программно-алгоритмическое обеспечение былиприменены в учебном процессе на кафедре «Системы автоматического3управления» МГТУ им.Н.Э.Баумана и при реализации конкретного техническогопроекта в научно-технической компании «Нанкинское научно-техническоеобщество с ограниченной ответственностью «Цзи Хуи Тин» (Нанкин, КНР).Апробация работы.