多旋翼无人机飞行控制系统设计研究

多旋翼无人机具有优良的操作性能、维护简单、成本较低等特点,已经成为微小型无人机的主流,获得了广大的消费群体。飞控系统作为无人机的核心技术,始终是无人机学术与工程领域研究的热点。本文以多旋翼无人机为研究对象,根据多旋翼无人机的结构特点,对飞行控制系统进行设计与研究,从硬件原理与软件原理对多旋翼无人机飞行控制系统的构建过程进行详细介绍。     

基于AFKF的多旋翼无人机组合导航技术研究

目前旋翼无人机组合导航系统大都使用扩展卡尔曼滤波算法,然而由于导航系统建模误差和传感器测量精度的影响,导航信息解算误差较大。为了改善旋翼无人机的飞行控制效果,应用自适应渐消卡尔曼滤波（Adaptive fading Kalman filter,AFKF）进行旋翼无人机组合导航解算,算法通过实时计算遗忘因子,对过去的数据权重进行削减,以提高扩展卡尔曼滤波算法的自适应能力。应用旋翼无人机真实飞行数据进行仿真,仿真结果表明,自适应渐消卡尔曼滤波算法能够有效抑制建模误差,弥补传感器测量精度不足,改善旋翼无人机组合导航解算结果。     

中科院大气所微型无人机大气环境监测系统飞行探测试验获成功

在中国科学院知识创新重点方向性项目支持下,中科院大气物理研究所中层大气和探测实验室的课题组经过8个多月的研制、改造、集成和调试,形成了基于两种型号微型无人机的大气环境参数监测系统,并于2008年10月20至21日在河北某机场进行了飞行测量试验,获得成功。两种型号微型无人机的有效载荷为3kg和5kg,分别搭载了改进的臭氧传感器和粒子（数浓度或质量浓度）探测仪以及温度湿度传感器。从试验获得的资料初步分析表明,无论是温度和湿度还是臭氧和粒子浓度,飞行测量数据合理可信。     

基于激光雷达的多旋翼无人机室内定位与避障研究

近年来,多旋翼无人机室内定位与避障技术成为了多旋翼无人机研究领域的热点,也是多旋翼无人机在未知室内环境中实现自主导航、完成其他复杂任务的基础。本文通过对全局地图进行分析,找出多旋翼无人机的可飞行区域,利用时变势场法实现了多旋翼无人机的室内避障与路径规划,对室内环境下多旋翼无人机的定位和避障技术进行了研究。     

系留多旋翼无人机及其在战术通信中的应用

介绍多旋翼无人机的发展和特点,针对其在无线通信中继应用中存在的问题和局限性,创新地提出通过加装系留供电系统实现系留多旋翼无人机的基本方案。可持续稳定滞空飞行的特点,使系留多旋翼无人机更适用于构建战术通信的无线中继平台。结合军事应用需求,分析对比了在不同地形下,典型战术电台在地面直接通信和通过系留多旋翼无人机中继通信的距离预计值。对比结果表明,采用系留多旋翼无人机搭载战术电台构成的中继平台,可显著提升战术通信系统的通信覆盖能力,应用和发展前景广阔。     

利用旋翼无人机群平台的探潜技术研究综述

潜艇是水下作战的重要力量,大力发展探潜技术具有重要的军事意义。随着无人机平台计算能力的提高和飞行控制技术的不断完善,无人机集群不断智能化、低成本化,参与作战能力逐步提升,本文对应用无人机集群的探潜技术开展调研综述。首先对声呐探测、磁场检测和微型合成孔径雷达探测等载荷技术开展调研,指出适合旋翼无人机平台的载荷类型;接下来分析了旋翼无人机可参与的智能化海洋作战模式,提出了多探测器跨域协作的水上—水下协作探潜防御网思路;最后,通过分析无人机群平台智能探潜的研究成果和关键技术,提出了多传感器异构无人机集群的研究发展方向,可对未来构建智能化探潜防御网提供参考。     

基于非结构滑移网格技术的旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法

在现代飞行器设计中,数值模拟方法以低成本、高效率和高灵活性等优点成为研究飞行器空气动力学的重要方法.在旋翼型无人机流场模拟中,由于旋翼与机身存在相互作用,为获得精确模拟结果需要对整个无人机的流场进行模拟,因此,有效地模拟旋翼与机身的相对运动是实现成功模拟的关键步骤,这使得此类模拟问题极具挑战性.文章设计了一套求解旋翼型无人机空气动力学数值模拟问题的基于非结构滑移网格技术的高可扩展并行计算方法.该方法对控制方程的离散,在空间方向采用非结构移动网格有限元方法,时间推进采用全隐式二阶向后差分格式,最后采用一种并行Newton-Krylov-Schwarz方法求解离散后的非线性方程组.作为应用,文章对一个真实旋翼型无人机模型在悬停状态下的外流场进行了数值模拟,获得了一些非常详细的流场信息.数值结果显示,算法在天河2号上使用4 096个处理器核时仍具有接近线性的并行加速比,这为下一步开展旋翼型无人机的高保真度快速模拟奠定了良好的基础.     

倾转式三旋翼无人机的有限时间收敛控制设计

倾转式三旋翼无人机是一种多旋翼无人机的特殊构型,其兼具单旋翼无人机与普通多旋翼无人机的特点.目前对于此类无人机的鲁棒控制设计研究成果较少,多数已有的控制方法未考虑模型参数的不确定性与外界扰动对此类无人机控制的影响.为此本文针对倾转式三旋翼无人机动力学模型存在的转动惯量未知,以及飞行中受到未知外界扰动影响的情况,基于super-twisting算法,设计了一种新型非线性鲁棒控制方法.通过基于Lyapunov的稳定性分析方法,证明了闭环系统的稳定性,并得到在有限时间内三旋翼无人机的姿态跟踪误差收敛的结果.本文中所提出的控制算法,在倾转式三旋翼无人机实验平台上进行了实时飞行控制实验,取得了较好的控制效果.     

一种小型无人机大气数据测量系统设计

针对现有的无人机大气数据测量的设备种类稀少、价格昂贵、精度偏低等问题,设计了一个小型无人机大气数据测量系统样机。结合无人机大气数据测量系统的工作原理,选用32位高速处理芯片(AVR32UC3B0256)、新型数字式压力传感器BMP085,以AVR32 Studio为开发平台,采用去最值滑动平均滤波算法进行数据处理,实时测算出飞行参数。经实验验证,所设计的系统具有实时性、低功耗、小型化、低成本等特点,能较好地完成无人机气压高度、指示空速、温度等大气数据的测量,有较强的现实意义。     

基于IEKF的四旋翼无人机姿态测量方法研究

研究四旋翼无人机在实时飞行时姿态测量的问题.由于四旋翼无人机多采用陀螺仪、加速度计、地磁计(MEMS)传感器测量各姿态,测量值存在偏差,无法直接使用.为解决利用不准确的传感器测量信息获得精确姿态角度的难点,并为了克服常规的扩展卡尔曼算法(EKF)带来的较大滤波偏差,以及四元素法表述复杂等困难,采用了一种改进的迭代EKF(IEKF)算法,利用欧拉角的描述方法,融合MEMS的信息对四旋翼无人机的姿态角度进行测量.实验结果表明,改进方法能准确测量出姿态角,且通过与常规EKF测量效果的比对可以看出,IEKF在测量精度上确有较明显的改善,表明改进方法是有效的,为四旋翼无人机实时调整姿态提供了一种科学手段.     

基于DGPS航迹偏差的多旋翼无人机磁干扰检测技术研究

为了解决多旋翼无人机在飞行作业过程中受到环境磁干扰导致作业异常的问题,在使用DGPS进行差分定位的基础上,提出了一种基于航迹偏差的多旋翼无人机磁干扰检测技术;其基本原理是,当多旋翼无人机受到磁场干扰时,其飞行航迹会偏离预设航线,检测其航迹的偏离距离,通过与阈值比较,可以用来判断是否存在环境磁干扰;实验结果表明该方法可以有效检测环境磁场异常,在某些情况下比传统的磁航向角误差阈值检测方法可靠性更高,虚警率更小;综合使用航迹偏差检测方法和磁航向角误差检测方法,可有效(提高)环境磁场异常检测的准确度,降低虚警率。     

一种可倾斜六旋翼无人机容错控制方法

常规六旋翼无人机在单个旋翼完全失效后, 存在姿态与高度不完全可控的情况, 此时采取降级控制策略会 使无人机失去静态悬停能力. 针对此问题, 本文提出了一种可倾斜旋翼的容错控制方法, 在经典旋翼结构布局的基 础之上, 将其中一个旋翼设计成可倾斜结构, 通过倾斜角度的改变与控制分配重构, 无人机在任意单个旋翼完全失 效后均能保持力与力矩的平衡. 利用线性规划方法得到无人机的可达力矩集, 同时对电机饱和度进行分析, 确定了 不同旋翼失效后的最优倾斜角. 搭建飞行测试平台进行对比验证, 实验结果表明, 本文提出的方法具有良好的容错 效果与鲁棒性, 能够保证六旋翼无人机在故障后的稳定飞行与平稳降落.     

基于多传感器的无人机避障方法研究及应用

随着无人机巡检作业方式应用越来越广泛,巡检过程中对障碍物检测并进行避障显得愈发关键。若无人机碰到杆塔或线路不仅会造成无人机自身的损坏,还会对居民用电造成影响,给检修带来麻烦。毫米波雷达、激光雷达、双目视觉传感器在机器人避障中有广泛应用。但是基于输电线路巡检的多旋翼无人机的实际情况,传感器器件的选型、尺寸、重量,以及障碍物信息与飞控的融合,显得尤为重要。通过对多旋翼无人机搭载毫米波雷达、双目视觉传感器、差分GPS进行了研究,采用多传感器融合方法检测障碍物,利用虚拟力场法(VFF)进行航迹重规划,并实际飞行验证。测试表明该方法对杆塔避障取得了较好的应用效果。     

低空无人机航空摄影高度自动测量方法研究

为控制低空无人机摄影高度,获得更加清晰的地理信息图像,需要对低空无人机摄影高度自动测量方法进行优化研究;当前方法主要利用射影几何知识的自动化标定方法实现低空无人机航空摄影高度的自动测量;该方法存在噪声影响严重,且测量误差较大的问题;为此,提出一种基于多传感器与卡尔曼滤波相结合的低空无人机航空摄影高度自动测量方法;该方法首先通过分析气压测量法计算各种气压因素对低空无人机航空摄影高度的影响,然后推导出大气对流层内气压随低空无人机航空摄影高度的变化;然后采用双GPS系统同时工作,对GPS、气压高度计和IMU测量获得的低空无人机航空摄影高度信号进行冗余备份;采用基于二阶多项式的修正方法对低空无人机航空摄影传感器输出值进行补偿和修正;根据动力学方程建立低空无人机航空摄影的动力学方程获得高度测量状态方程;最后采用卡尔曼滤波的线性最小方差估计准则对低空无人机航空摄影高度进行均方差估计计算,实现低空高度自动测量与校正。实验结果表明,所提方法具有精度高、收敛性好且滤波效果理想的优势。     

用于无人机室内导航的光流与地标融合方法

针对小型无人机在无卫星导航信号条件下的导航问题,结合光流及地标定位设计了使用摄像头、惯性测量器件、超声测距仪等传感器融合的无人机室内导航方法.文章使用补偿角速率的光流微分法计算帧间像素点小位移,并用前后误差算法提取精度较高的点,避免像素点跟踪错误,提高了光流测速的精度;对得到的光流场用均值漂移算法进行寻优,得到光流场直方图峰值,以此计算光流速度.本文提出了无累积误差的连续地标定位算法,实时测量无人机位置.通过多速率卡尔曼滤波器对观测周期不一致的位置、速度信息进行最优估计.在搭建的八旋翼无人机平台上试验,将位置与速度测量结果分别与激光和PX4FLOW数据对比,结果表明该导航方法可以有效抑制定位跳变与光流测量噪声误差,给出精确的位置与速度估计.     

基于多旋翼无人机的热红外地表温度场反演系统设计

对当前城市热岛效应研究所采用的三类主要方法进行了分析,分别得出其优势和存在的不足,提出了一种基于微小型多旋翼无人机平台开发小尺度高分辨率地表温度场观测系统的创新思路,并通过对红外测温原理的研究,设计了热红外无人机地表温度场反演系统,开发了B/S架构的地表温度场反演软件,实现了红外图像实时传输、自动拼图、米级网格化地表温度场反演、实景地图叠加、历史数据回放和数据导出等功能。经多次飞行实践应用表明,该系统运行稳定、数据准确、投资少,机动灵活,使用方便,可弥补传统卫星遥感等观测手段的不足,为开展城市区域热环境精细化观测提供了一种新的技术平台与工具,也为气象无人机的应用开辟了一个新的方向。     

水上无人系统研究进展及其面临的挑战

水上无人系统主要包括无人艇和无人机, 是未来执行水上救援、搜救和监测等任务的主要手段. 本文综述了近年来国内外在水上无人系统方面的最新研究进展, 包括企业界和学术界在无人艇和无人机方面的探索和实践, 介绍了水上无人系统研究在环境感知、航迹规划、避障和同质/异质自主体编队协同和海上弱小目标识别方面的研究成果, 分析讨论了不同方向的研究特点和面临的挑战.     

结合预设航线的多旋翼无人机避障算法

针对现有多旋翼无人机使用人工势场法进行避障的研究中,仅考虑目标点的安全抵达,少有考虑按预设航线飞行的作业需求,通过在人工势场法中赋予航线"线势场",将多旋翼无人机的避障与航线飞行进行结合,使无人机避障之后能重回航线.针对传统势场法中的引力场并不适用于无人机,对引力场进行了改进.解决了引入"线势场"后容易导致无人机陷入局部极小点的问题,通过仿真验证了上述改进的效果.     

水空两栖跨介质无人飞行器研究现状

通过充分的文献调研和总结,对现有水空两栖跨介质无人飞行器进行了比较全面系统的分析,从整个无人机领域的视角对该种无人飞行器进行了综述．将当前水空两栖跨介质无人飞行器分为水上无人机、潜射无人机和潜水无人机3大类,并综述了各类水空两栖跨介质无人飞行器的典型样机,讨论了各自的共性问题和运动介质的转换方式．