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

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТИМ. Н. Э. БАУМАНАНа правах рукописиГЭН КЭ КЭАВТОНОМНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМКВАДРОКОПТЕРА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ОБЛЕТА ПРЕПЯТСТВИЙ ИКОМПЛЕКСНОЙ НАВИГАЦИЕЙДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукспециальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработкаинформации (в технических системах)Научный руководитель:Чулин Николай Александрович,кандидат технических наук, доцентМосква – 20172ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 5ГЛАВА1.АНАЛИЗМЕТОДОВИКЛЮЧЕВЫХТЕХНОЛОГИЙАВТОНОМНОГО ПОЛЁТА КВАДРОКОПТЕРА .........................................................111.1. Система управления полѐтом квадрокоптера ..................................................

121.1.1. Математическая модель квадрокоптера .................................................... 131.1.2. Алгоритмы управления полѐтом квадрокоптера...................................... 191.1.3. Моделирование полѐта квадрокоптера по заданному маршруту ........... 221.2. Основные способы решения задачи планирования маршрута ......................

251.2.1. Планирование глобального маршрута ...................................................... 25на основе муравьиного алгоритма ....................................................................... 251.2.2. Стратегия отслеживания заданного маршрута ......................................... 271.2.3. Методы облѐта препятствий для БПЛА .................................................... 291.3. Интегрированная навигационная система БПЛА ...........................................

30Применение1.3.1.бесплатформенныхинерциально-спутниковыхнавигационных систем для БПЛА ....................................................................... 301.3.2. Визуальная навигационная системана основе компьютерногозрения и алгоритма EKF-SLAM ........................................................................... 321.3.3. Основные особенности интегрированных БИНС с применениембарометрического высотомера и радиовысотомера ........................................... 421.4.

Выводы по главе 1 .............................................................................................. 44ГЛАВА2.РАЗРАБОТКАСИСТЕМЫУПРАВЛЕНИЯПОЛЕТОМКВАДРОКОПТЕРА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ОБЛЕТА ПРЕПЯТСТВИЙ ВСЛОЖНОЙ СРЕДЕ ....................................................................................................... 462.1. Общая структура автономной системы............................................................ 46управления полѐтом квадрокоптера ........................................................................ 462.2.Алгоритмпланированияглобальногомаршрутанаосновеоблачно-точечной карты и улучшенного муравьиного алгоритма ....................... 472.2.1.

Облачно-точечная поисковая карта маршрута ......................................... 483Стр.2.2.2. Разработка улучшенного муравьиного алгоритма ................................... 49для глобального планирования ............................................................................ 492.3. Отслеживание спланированного глобального маршрута на основеулучшенного метода движения по линии визирования.........................................

542.4. Разработка алгоритма облѐта препятствийна основе управленияповоротом вектора скорости полѐта ........................................................................ 582.4.1. Предсказание состояния движения препятствий ..................................... 602.4.2. Стратегия облѐта неподвижных препятствий .......................................... 632.4.3.

Стратегия облѐта подвижных препятствий .............................................. 652.2. Разработка алгоритма повышения стабильности полѐтана основемногорежимной системы стабилизации ................................................................. 692.6. Выводы по главе 2 .............................................................................................. 77ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ СВКЛЮЧЕНИЕМ ВИЗУАЛЬНОЙ ЛОКАЦИИ ДЛЯ КВАДРОКОПТЕРА СВОЗМОЖНОСТЬЮ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИЗОЛЯЦИИ НЕИСПРАВНОСТЕЙ ........ 793.1.

Улучшения алгоритма EKF-SLAM для визуальной навигационнойсистемы квадрокоптера ............................................................................................. 813.1.1. Алгоритм EKF-SLAM с адаптационным диапазоном наблюдения ....... 813.1.2. Локальная ассоциация данных в алгоритме EKF-SLAM ........................ 883.2. Преобразователь режимов навигации .............................................................. 943.3.

Слияние навигационной информации из нескольких источников свозможностью изоляции недостоверности ............................................................. 953.4. Применение фильтра Калмана в навигационной системесвозможностью обнаружения недостоверной навигационной информации ........

963.5. Проверка функции обнаружения и изоляции неисправностей системы .... 1063.6. Выводы по главе 3 ............................................................................................ 109ГЛАВА4.РАЗРАБОТКАПРОГРАММНОГООБЕСПЕЧЕНИЯ,МОДЕЛИРОВАНИЕ И МАКЕТИРОВАННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ .........................1104Стр.4.1. Математическая модель автономной системы управленияполѐтомквадрокоптера ...........................................................................................................1104.2. Макетирование визуальной навигационной системы ................................... 1114.3.

Макетирование комплексной навигационной системы ................................1154.3.1. Датчики и их основные характеристики ..................................................1154.3.2. Разработка интерфейса навигационной информации ............................1164.4. Моделирование автономного полета квадрокоптера в сложной среде ....... 1214.4.1. Пакет программ системы управления .....................................................

1234.4.2. Результаты моделирования с учѐтом ошибок навигацииивоздействия ветра ................................................................................................ 1294.5. Выводы по главе 4 ............................................................................................

132Общие выводы и заключение ..................................................................................... 133Список литературы...................................................................................................... 136Приложение.................................................................................................................. 1495ВВЕДЕНИЕАктуальность работы. 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 с пультаоператора и полѐта по простому маршруту. Причина ограничений - низкаяавтономность квадрокоптера из-за сложности автоматического облета различныхпрепятствий в сложной среде и автономной навигации в случае отсутствия сигналаспутниковой навигационной системы (СНС).

Актуальной является задачаразработки автономной системы управления полетом, позволяющей осуществлятьполѐт квадрокоптера по cпланированному маршруту с возможностью облетапрепятствий и автономной навигацией.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,но в сложной неизвестной среде с различными препятствиями и влияниямиатмосферы не обеспечивают достаточную работоспособность. Существующие дляквадрокоптеров комплексные навигационные системы (КНС) не могут обеспечитьдостоверность навигационной информации в случае отсутствия сигнала СНС.

Вовсем 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 использование6ограничено для квадрокоптера из-за низкой скорости вычисления алгоритмовобработки изображений и SLAM.Таким образом, решение и исследование указанных проблем весьма актуальнои имеет важное практическое значение.Цель работы и задачи исследования.

Цель исследования даннойдиссертации заключается в разработке автоматической системы управленияполетомквадрокоптера,позволяющейобеспечитьавтономныйполѐтпоспланированному маршруту с возможностью облета препятствий в сложной средеи автономной навигацией.Для достижения цели работы формулируются следующие задачи:1.

Разработкабыстрогоалгоритмапланированияпространственногоглобального маршрута в известной среде с неподвижными препятствиями;2. Разработка алгоритма отслеживания спланированного маршрута в режимереального времени;3. Разработка быстрого 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 учѐтомгироскопических 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. РазработкаКНС,учитывающейдостоверностьистатистическиехарактеристики входящих в неѐ источников информации.Научная новизна. К числу новых научных результатов, полученных вдиссертации, относятся:1. Предложеналгоритмпланированияпространственногоглобальногомаршрута на основе представления информации о среде в виде облачно-точечной7карты и улучшенного муравьиного алгоритма с возможностью эффективногоиспользования имеющейся известной информации о среде и быстрого полученияглобального маршрута с меньшим количеством путевых точек;2.