Диссертация (1025035)
Текст из файла
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.
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}
