无人直升机视觉导引着陆研究

论文摘要

本文所研究的新型无人直升机(NUH)具有不同于常规直升机的机身结构与气动布局,将在许多应用场合中发挥重要的作用。利用计算机视觉实现自动进场着陆,将显著节省NUH着陆所消耗的人力和物力,具有精度高、功耗低、安全可靠等优点。研究NUH视觉导引着陆这一无人机导航与控制新技术将具有重大的应用价值。本文提出了基于视觉的进场着陆方案,将NUH着陆过程分为导引进场与落地(着陆)两阶段,研究内容涉及NUH数学建模、着陆控制设计以及每一阶段所需视觉算法设计和验证等关键技术。为满足NUH视觉导引着陆控制需要,利用机理建模方法建立NUH非线性模型,分析了NUH飞行动力学特性,完成了悬停点配平计算,给出了配平点的小扰动线性模型,完成了非线性模型和线性模型的操纵响应对比分析,明确了应用线性模型可以完成NUH视觉导引着陆控制设计研究。NUH具有开环不稳定性和独特的操纵响应耦合特性,利用特征结构配置方法进行了NUH悬停增稳设计,分析了不同的特征结构配置对NUH闭环系统稳定性与操纵性的影响。运用内外回路控制设计思想,实现了NUH悬停着陆控制系统。内回路中利用特征结构配置实现角速度与垂向速度的稳定与控制。姿态控制回路由内回路扩展而成,内回路输出信号的积分作为姿态角反馈信号,与姿态角指令信号比较后得到误差信号,经比例控制器作用后作为内回路的输入。线速度与线位移控制回路同样由上述方法扩展而得。仿真结果表明,内回路可实现快速指令跟踪和响应解耦,外回路可实现悬停位置保持和着陆轨迹跟踪。提出NUH进场阶段的视觉导引原理方案,进行相应的视觉导引算法设计。运用图像处理算法得到了导引标志图像的中心点位置和面积,作为视觉测量值,运用扩展卡尔曼滤波算法实现视觉与惯性数据融合,由视觉测量值修正惯性数据递推估计结果,得到更为精确的NUH位置估计值。NUH位置控制回路利用这一估计值作为反馈量,实现NUH进场导引的位置反馈控制。视觉在回路导引仿真验证了NUH视觉导引方案的可行性。提出NUH落地阶段的视觉着陆原理方案,进行相应的视觉着陆算法设计。运用图像处理算法得到着陆标志特征角点在不同图像中的像点位置与像点速度,利用点对应关系估计摄像机坐标系之间的运动,从而得到NUH的角速度、姿态、线速度以及NUH相对着陆平台的位置估计。运动参数估计值作为内回路的状态反馈量和外回路的姿态、线速度和位置反馈量,实现NUH悬停着陆控制。视觉在回路着陆仿真验证了NUH视觉着陆方案的可行性。为验证视觉导引着陆算法和控制算法,设计了小车运动试验验证方案。阐述了小车试验平台的研制,包括小车本体、定位定向设备、控制系统和视觉系统的设计与实现。进行小车运动试验,证实了视觉系统能有效地执行NUH导引着陆过程中的图像数据提供与处理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 研究背景与现状
• 1.2.1 相关背景介绍
• 1.2.2 基于视觉的UH 导航与控制研究现状
• 1.2.2.1 国内外研究情况简介
• 1.2.2.2 基于视觉的UH 导航与控制研究综述
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 新型无人直升机建模
• 2.1 NUH 非线性模型
• 2.1.1 机体运动方程
• 2.1.2 旋翼挥舞运动方程
• 2.1.3 旋翼诱导入流方程
• 2.1.4 旋翼气动力计算
• 2.1.5 风扇气动力计算
• 2.1.6 机身气动力与陀螺力矩计算
• 2.1.7 非线性飞行动力学模型合成
• 2.2 配平计算
• 2.2.1 计算原理
• 2.2.2 配平结果分析
• 2.3 NUH 线性模型
• 2.3.1 小扰动线性化处理
• 2.3.2 线性模型合理性分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 新型无人直升机悬停/着陆控制
• 3.1 NUH 特征结构分析
• 3.1.1 线性系统的动态响应
• 3.1.2 NUH 的特征结构与耦合特性
• 3.2 特征结构配置
• 3.2.1 状态反馈的特征结构配置
• 3.2.2 输出反馈的特征结构配置
• 3.3 基于特征结构配置的NUH 飞行控制系统设计
• 3.3.1 悬停增稳系统设计
• 3.3.2 悬停/着陆控制系统设计
• 3.3.2.1 角速度与垂向速度内回路设计
• 3.3.2.2 姿态角与线速度外回路设计
• 3.3.2.3 悬停/着陆控制系统仿真验证
• 3.4 本章小结
• 第四章 新型无人直升机视觉导引控制
• 4.1 基于视觉的NUH 导引方案
• 4.1.1 视觉导引原理
• 4.1.2 视觉导引所用的坐标系
• 4.2 视觉导引算法设计
• 4.2.1 导引标志与图像处理
• 4.2.2 视觉/惯性数据融合的EKF 算法
• 4.3 NUH 视觉导引仿真验证
• 4.3.1 EKF 位置估计性能仿真分析
• 4.3.2 NUH 视觉在回路导引仿真
• 4.3.3 视觉导引控制可视化仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 新型无人直升机视觉着陆控制
• 5.1 基于视觉的NUH 着陆方案
• 5.1.1 视觉着陆原理
• 5.1.2 视觉着陆所用的坐标系
• 5.2 视觉着陆算法设计
• 5.2.1 着陆标志与图像处理
• 5.2.2 基于视觉的运动估计
• 5.2.2.1 NUH 与着陆平台相对位置与姿态估计
• 5.2.2.2 NUH 角速度与线速度估计
• 5.2.2.3 影响基于视觉的运动估计的因素
• 5.3 NUH 视觉着陆仿真验证
• 5.3.1 基于视觉的运动估计仿真分析
• 5.3.2 NUH 视觉在回路着陆仿真与可视化
• 5.4 本章小结
• 第六章 视觉系统验证方案设计与实现
• 6.1 NUH 视觉导引着陆地面模拟原理
• 6.2 小车试验平台设计
• 6.2.1 小车本体
• 6.2.2 定位定向设备
• 6.2.3 控制系统
• 6.2.4 视觉系统
• 6.2.5 试验平台集成
• 6.3 小车运动试验
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录A 坐标系转换
• 附录B 机身吹风数据处理