Автореферат (1025034)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
