四旋翼无人机自主降落中的运动规划方法研究

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多旋翼无人机因其具有垂直起降能力、机动性能好、环境适应性强等优点,在很多领域都得到了广泛应用,但其续航能力短的缺点限制了其进一步深化应用。自主降落技术,不仅可以有效地解决这个问题,还能提高多旋翼无人机的智能化水平以及扩大其应用范围。在实际应用中无人机往往处于较为复杂的环境,比如环境中存在障碍物,因此,多旋翼无人机在复杂环境下的自主降落技术研究十分重要。本文基于运动规划的方法对四旋翼无人机的自主降落技术进行研究,主要内容如下:(1)搭建了一套四旋翼无人机软硬件系统与综合仿真系统,并在此基础上对论文中研究的算法进行实现与验证;(2)基于四旋翼无人机的微分平坦性质,设计了一种非线性几何跟踪控制器,可以实现大机动的飞行控制,提升了轨迹跟踪的能力;(3)对于四旋翼无人机在静态平台的自主降落,利用改进的快速搜索随机图算法进行路径规划;基于最优控制设计了轨迹规划模型并生成最优轨迹;设计偏航角规划算法解决了视觉传感器FOV限制影响飞行安全的问题;通过实时重规划策略实现无人机在保证安全性的前提下完成在障碍物环境中的自主降落任务;(4)在静态平台降落的运动规划方法基础上,进行了移动平台降落的运动规划方法设计。采用对移动平台的轨迹进行拟合与预测然后生成多条局部最优轨迹并择优的策略实现最优降落轨迹的生成;利用泰勒展开和约束优化模型完成降落平台的轨迹拟合与预测,实现对任意未知移动平台模型的状态预测;改进了路径规划算法、偏航角轨迹规划算法和重规划策略,提升了自主降落算法的性能。本文通过仿真实验对各部分算法分别进行了性能检验,然后在三维真实仿真环境下把轨迹跟踪控制和运动规划结合在一起,实现了四旋翼无人机在复杂环境下的自主降落,进一步验证了本文所设计的自主降落方法的有效性。
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