基于蜂窝移动网的无人机监管系统设计与实现

针对无人机监管难的问题,提出一种基于蜂窝移动网的无人机监管系统。该系统通过蜂窝移动网将分散在不同空域的无人机的位置及态势信息收集传输到云数据中心。中心判断无人机飞行轨迹和禁飞区之间的位置关系,对可能发生的碰撞和违法飞行事件发出预警,并将数据实时推送至监管平台,实现对无人机实时监管的设计目标。实验结果表明,该系统能够对平台下的无人机进行有效的监管与预警,能够精准警告可能违法飞行的无人机,为实现对民用无人机的有效监管提供了一种解决方案。     

基于改进A*算法的无人机避障路径规划

近年来,物流行业的飞速发展,运输是物流的重要环节之一,根据数据显示,运输的成本占据整个物流成本的50%以上.无人机的使用有效的控制了运输成本,合理规划物流无人机的飞行路线,也起着至关重要的作用.在物流无人机的航迹规划中,必须保证无人机飞行过程中能够准确避开禁飞区.本文基于A^*算法,结合多种类型的禁飞区,设计出一种改进算法,能够找到任意两客户点间无人机避障飞行的最优路线.仿真结果表明,本文所设计的算法能够有效解决多类型禁飞区并存的无人机避障路径规划问题.     

概率视距空地信道下的无人机安全通信优化设计研究

考虑在物理层保障无人机多用户通信系统的信息传输安全,一架无人机与多个地面用户进行通信,存在一个地面窃听者尝试窃取无人机发送给用户的机密信息。研究将无人机与地面节点之间的空地信道建模为更符合实际的概率视距信道,在满足无人机飞行条件约束和离散的用户调度约束下,通过联合设计无人机的三维飞行轨迹和用户调度来最大化用户的最小平均安全速率。为求解该模型下的安全通信优化设计问题,首先将其解耦为三个子问题,然后利用整数松弛和连续凸近似方法分别求解三个子问题,最后利用块坐标下降法求出无人机的三维飞行轨迹;在此基础上,根据飞行过程中得到的瞬时信道状态信息,提出无人机飞行速度和用户调度实时优化算法。该算法将优化问题建模为线性规划问题,并用内点法求解。仿真结果表明,与已有基准算法相比,基于概率视距信道模型优化无人机的飞行轨迹可显著提升系统的安全速率,所提的飞行速度和用户调度实时优化算法可进一步提升安全速率性能。     

利用三次样条改进蚁群算法的无人机航路规划

针对无人机在二维平面自动飞行中转弯角度过大、路径规划困难的问题,研究了蚁群算法在复杂环境下航路规划中的应用,利用链接图简洁的特点建立空间模型,对无人机的飞行环境和航迹代价进行了描述,并结合三次样条插值函数与蚁群算法,提出了改进蚁群算法,对无人机飞行路径进行优化,并给出算法软件流程。利用MATLAB进行了仿真实验,得出了最优的航路,算法具有较好的稳定性和鲁棒性,对轨迹中不可飞的尖角进行了平滑处理,使得航路为曲线轨迹,满足无人机工作的性能要求,减少无人机在飞行中的代价损耗,验证了该优化算法在无人机航路规划中的可行性。     

ADS-B的无人机冲突检测告警技术

针对无人机极易对载人航空器造成冲突且不易被及时发现,利用ADS-B技术,借鉴航空器TCAS工作原理,为无人机研发一种冲突检测告警机载设备。该机载设备由冲突检测和告警算法2个功能模块组成,无人机通过ADS-B机载设备获取合作目标的空中交通情景意识,计算目标航空器与本机之间CPA矢量值,通过矢量决断算法,来判断二者是否存在潜在冲突并触发告警。仿真实验结果表明,该技术能对潜在的飞行冲突提前预警,有效降低冲突的发生概率。     

多无人机辅助移动边缘计算中的轨迹优化

在无人机辅助移动边缘计算网络中,优化无人机的飞行轨迹可以显著提升无线网络的各项性能指标。该文主要以加权最小化无人机的飞行能耗和接收卸载任务的能耗为目标,考虑满足无人机自身的机械特性和多无人机之间飞行轨迹需满足碰撞避免的约束条件,协同优化多架无人机的飞行轨迹和无人机与地面设备之间的卸载决策参数。建立的基于能耗最小化的多无人机飞行轨迹的优化问题中,目标函数非线性,约束条件非凸。针对这些问题,通过引入辅助变量转化非凸的优化条件,并通过连续凸优化的方法转化非线性的优化问题求解。仿真结果表明,所提多无人机的轨迹优化算法,较好地优化了所有无人机的飞行轨迹,在保证所有地面设备任务卸载完成的前提下明显改善了无人机的能耗性能。     

基于包络切换的四旋翼吊挂无人机避障轨迹优化研究

考虑非圆避障区域以及吊挂载荷摆动导致的包络圆切换,开展四旋翼吊挂无人机避障飞行轨迹优化研究.首先,通过互补约束对拉紧-松弛系绳进行统一描述,建立了吊挂四旋翼无人机系统的整体动力学模型;而后,采用R函数建立了不同包络圆情形下的统一避障约束方程,使用碰撞检测算法计算包络圆与障碍物的距离,并通过非线性最优控制方法建立了吊挂无人机避障轨迹优化数学模型;继而利用Legendre-Gauss-Radau伪谱法将开环非线性最优控制问题离散为非线性规划问题,通过数值求解得到了吊挂无人机的最优运动轨迹.最后,通过数值仿真算例验证了所提出的轨迹优化算法的有效性.     

帝国竞争算法在无人机三维航线规划中的应用研究

针对实际飞行环境中无人机的三维航线规划问题,提出了一种创新启发式优化算法——牛顿帝国主义竞争算法(NICA,Newtonian imperialist competitive algorithm).该算法能够根据无人机的飞行轨迹,从起始位置到任务目标位置生成平滑的航线路径,约束航线规划,使得目标完成任务的时间最小化.该算法也能为无人机在真实地形上的航线提供最佳轨迹路径.最后通过与ICA、GA和PSO算法进行比较,验证了改进算法的有效性.结果表明:改进帝国算法提高了全局最优解的搜索能力,在收敛速度和精度上优于其他3种算法,适合用来解决无人机的三维航线规划问题.     

基于序列图像的小型无人机姿态快速估计方法与实验

为自主、精确地获得无人机的飞行姿态,文章研究并提出了一种利用无人机系统搭载的摄像机获取的序列图像来快速获得小型无人机飞行姿态的方法;该方法首先应用SIFT算法,通过多线程并行处理提取相邻图像特征点,然后依据设计的变换模型由匹配的特征点估计出帧间图像变换参数,并利用RANSAC算法剔除错误点,最终解算出机载平台的姿态角变化量;最后通过比较实验测得的姿态数据与实际姿态数据,证明了该方法的有效性。     

基于深度学习的无人机飞行轨迹及地质勘测研究

为了对无人机的飞行轨迹及地质灾害勘测进行研究,首先基于深度学习、无人机等相关理论,对无人机飞行高度、图像分辨率以及地质勘测所消耗时间三者之间的关系进行分析;其次将卷积神经网络模型应用于地质勘测图像精度研究中;最后引入Sigmoid算法对无人机的飞行轨迹进行分析。结果表明：无人机的飞行高度与图像分辨率成反比、与地质勘测所用时间成正比。在同一高度、不同控制点的情况下,卷积神经网络模型能够缩小数据的点位误差以及高程误差,并且随着控制点的增多,精确度也会越来越高。将Sigmoid算法引入无人机的姿态控制以及速度控制中,能够将姿态控制的误差限制在-0.5~1之间,速度控制误差限制在-0.3~0.3之间,可见不管是卷积神经网络模型还是Sigmoid算法都对无人机的发展具有优化作用。因此,深度学习下飞行轨迹规划以及地质灾害勘测,对无人机的快速发展具有很大的参考意义。     

3维动态环境下的无人机路径跟踪算法

针对固定翼无人机在动态环境下沿参考轨迹飞行时可能与未知障碍物发生碰撞的问题,提出了可实时避障的路径跟踪算法.采用3维毕达哥拉斯速端曲线(PH)作为参考飞行路径.PH曲线具有曲率连续、曲线平滑等特性,能满足固定翼无人机运动学约束,适于无人机飞行跟踪控制实现.给出了3维空间内稳定跟踪参数化曲线路径的充分条件.设计了非线性模型预测控制器使无人机能稳定跟踪3维PH参考路径,并改进了目标函数形式使无人机在沿参考路径飞行时能及时避开环境中未知的大型静止障碍物和移动障碍物,在避障后继续朝目标点飞行.最后通过MATLAB仿真实验验证了算法的有效性.     

基于轨迹聚类的航空器轨迹模式挖掘研究

轨迹模式是航空器在某段时间或某个区域内相对稳定的飞行模式,对理解和判断目标在一段时间或一定区域内的行为有着重要的意义。针对目标轨迹的特点,在基于点密度的聚类算法的基础上,设计并实现了一种基于线段密度的轨迹聚类方法。该方法使用最小描述长度原则将目标的历史轨迹分割为若干轨迹段,通过计算轨迹段之间的相似度对飞行轨迹进行聚类,最后运用扫描线算法生成目标的轨迹模式。实验证明,该方法可以较为准确地从大量轨迹数据中发掘出航空器目标的轨迹模式。     

多无人机协同目标分配与航迹规划

多无人机的协同目标分配是一个多模型、多约束的组合优化问题,其解空间随无人机的数量成指数上升;当以无人机协同目标分配的角度解决无人机编队切换的问题时,标准的匈牙利算法存在单个无人机飞行路径过长的问题,导致个别无人机的电量下降迅速,因此相较于其他无人机会提前降落,而且会导致其他无人机在编队切换过程中等待时间过长,进而影响整体编队飞行时长;考虑到无人机的工作环境处于三维空间及其编队切换时间的协同性,文章提出了改进的匈牙利算法,以保证在无人机飞行总移动距离尽可能小的前提下,减小单个无人机的最大移动距离,从而延长整个编队的飞行时长;经仿真对比多种算法,验证了该算法相较于匈牙利算法等其他算法具有更好的效果,能够很好地解决多无人机的编队切换问题。     

无人机飞行安全控制系统的设计与实现

为了确保无人机在不受遥控的状态下安全坠毁,设计了无人机飞行安全控制系统;系统通过计算GPS数据来判断无人机是否超出安全区域,进而控制舵机离合器电源以实现安全控制功能;使用了多片微处理器协同完成安控任务,设计了高效的硬件电路;采用了科学的判断算法和软件策略,保证系统执行的安全性;利用数传电台回传执行结果,实现了地面实时监控;实际应用表明,这种无人机飞行安全控制系统是有效和可靠的,能够满足无人机系统安全控制的需要.     

城市低空环境中多旋翼无人机在线航线规划方法

为无人机规划一条从起点出发到达指定目标点的航线是实现无人机各种应用的重要前提.飞行过程中,无人机应具备对于各种动态变化快速响应并重新规划航线的能力.针对多旋翼无人机在飞行过程中可能遇到的各种动态变化,研究其在离散城市环境下的在线航线规划问题.首先,建立离散环境模型,并基于此模型定义无人机飞行规则;随后,建立无人机航线规划模型,包括对航点的约束条件及航线规划的指标;其次,将各种动态变化按照其对无人机的不同影响进行分类,分为固定禁飞区、合作无人机、非合作无人机3类,并针对不同种类动态变化特点,分别提出重新规划三维航线、改变飞行速度、滚动优化三维航线3种在线航线规划策略及综合应对策略;然后,改进快速随机扩展生成树算法(RRT),使其适合于离散城市环境.仿真实验中分别验证了所提出的在线航线规划策略在应对单一动态变化及组合动态变化时的有效性.     

基于粒子滤波的无人机自主轨迹视觉导航控制方法研究

针对现有无人机导航控制方法存在的控制效果不佳的问题,本文提出一种基于粒子滤波的无人机自主轨迹视觉导航控制方法研究。利用粒子滤波算法,实现对无人机自主轨迹视觉导航控制方法的优化设计。采用栅格法构建无人机飞行环境地图,根据无人机的机械组成结构和工作原理,构建运动状态模型。利用内置的摄像机设备采集视觉图像,执行图像灰度转换、几何校正、滤波等预处理步骤。通过对视觉图像的特征提取,判断当前环境是否存在障碍物。利用粒子滤波算法确定无人机位姿,结合障碍物识别结果规划无人机的自主飞行轨迹。将位置、速度和姿态角的控制量计算结果,输入到安装的导航控制器中,完成无人机的自主轨迹视觉导航控制任务。通过实测分析得出结论：应用设计的导航控制方法,其位置误差、速度误差以及姿态角误差均维持在预设值以下,即设计的导航控制方法具有良好的控制效果。     

基于几何随机的无人机空地信道模型

针对传统无人机空地信道模型不支持三维飞行轨迹和三维天线的问题，通过引入空间旋转矩阵和轨迹参数，提出了一种基于几何随机的无人机空地三维信道改进模型。该模型结合无人机对地通信场景的特殊性，利用时变布尔变量描述视距路径、地面反射径和散射路径的动态生灭过程。同时，文中还给出了二维角度、时延和功率等模型参数的时间演进算法，用于复现无人机对地信道的时变统计特性。数值仿真结果表明，改进模型输出的空时相关特性和多普勒功率谱均与理论值吻合，并且自相关特性与实际测量结果基本一致，该模型可应用于辅助无人机空地无线通信设备的方案优化、算法验证和性能评估等领域。     

基于RTOS的小型无人机飞行控制系统

一种基于RTOS的小型无人机飞行控制系统的设计与实现。该系统基于C8051F120单片机和USOS Ⅱ嵌入式实时操作系统,通过使用实际飞行获取的飞行参数,采用PID控制律实现了姿态控制;通过使用GPS提供的方位信息,实现了无人机的轨迹控制。同时,该控制系统还提供了飞行参数的存储。     

基于MB-RRT*的无人机航迹规划算法研究

随着小型无人机的广泛应用,提高无人机的自动巡航能力变得至关重要。无人机航迹规划是指其在已知环境地图信息下展开航迹规划,实现无碰撞的、平滑的、从初始点到达目标点的路径。针对现有算法依然存在收敛速度慢、内存消耗大、航迹规划固定步长和航迹平滑度无法满足实际无人机飞行等问题,提出了MB-RRT*(Modified B-RRT*)算法,通过懒惰采样方法加快算法收敛速度并减少内存占用;设计自适应步长来解决算法在障碍物附近生长树的局限性问题,从而提高了找到初始可行解的速度和质量;然后利用降采样和3次贝塞尔插值算法实现了曲线拟合的功能,使算法最终生成相对平滑的航迹,为无人机实际飞行提供可行的航迹规划方法。最后在多组不同环境复杂度的实验中,通过与其他算法相比较,验证了所提算法的有效性。     

面向空地协同的旋翼无人机动平台自主降落最优轨迹生成

旋翼无人机在移动平台上快速自主降落能够提升空地机器人的任务适应性和作业灵活性,对提高任务响应速度和增强救援能力具有重要意义。为了使旋翼无人机在最短时间内安全降落到移动平台,本文提出了一种最优升力分解轨迹生成方法,旨在在升力有限的情况下,最大化旋翼无人机的飞行性能。该方法首先对旋翼无人机的有限升力进行分解,获得最优的3轴升力分配,然后将非线性加速度约束转化为动态线性约束,最后根据最优控制理论求解出最优飞行时间轨迹。仿真结果表明了本文提出的算法能够保证轨迹生成的准确性和稳定性,并且该算法的计算效率高,能够满足系统实际应用中的实时性要求。