多旋翼无人机避障系统的控制设计

为解决多旋翼无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）因遇到障碍物导致毁损的问题,研究了多旋翼无人机避障系统的控制设计。首先,分析多旋翼无人机避障系统的总体结构,并利用卷积神经网络设计比例-积分-微分（Proportion-Integral-Differential,PID）控制器。其次,通过模糊自整定PID控制算法动态调整PID控制器的增益系数,实现多旋翼无人机避障系统的控制。最后,实验验证了该方法能够有效控制多旋翼无人机避障系统,控制效果较好。     

崎岖地表上的旋翼无人机自主安全降落系统

针对旋翼无人机全自主作业的需求,构建了崎岖地表上的旋翼无人机自主安全降落系统．该系统通过机载实时运算自动分析落区地形,寻找可行落点并实施自动降落．系统以低成本的立体RGB-D相机作为深度传感设备,利用截断符号距离函数（TSDF）对着陆区地形进行实时3维建模,生成低噪的落区地形深度图像,并设计了一种适应起落机构形状的实时精细落点搜索方法,最后使用级联PID（比例－积分－微分）控制器控制无人机实施安全降落．系统基于大疆M100无人机平台实现,定制了仿真器进行算法调试,并最终在实际的崎岖地表上实现了自主安全降落．本文工作可为旋翼无人机紧急降落、物流运输或者灾后搜救提供有效安全的解决方案．     

基于OpenMV四旋翼无人机视觉跟踪系统设计

无人机对目标的实时跟踪是无人机领域的研究热点与难点,该文设计了一个基于OpenMV四旋翼无人机视觉跟踪系统。该系统以STM32F407VGTx为主控芯片,以姿态传感器、气压计传感器、光流传感器、激光传感器和电子罗盘等为传感器,通过高速的SPI和UART接口获取无人机姿态,构建了一个稳定的飞行控制平台。设计了基于串级PID的无人机悬停、定点和定高飞行的控制算法与程序。在四旋翼无人机稳定飞行的平台上,通过OpenMV实现了四旋翼无人机对目标色块的实时跟踪。     

基于FPGA的无人机SAR天线稳定平台控制系统设计

为了满足无人机SAR成像对天线波束指向平稳性的要求,设计了一种基于FPGA的天线稳定平台控制系统。FPGA接收姿态传感器和DGPS/INS组合系统输出的姿态信息,采用数字滤波、数字PID控制实现对SAR天线指向的平稳控制。该系统具有实时性好、集成度高、小型化、低成本、低功耗等特点。通过大量实验验证,实验结果表明该系统性能良好,满足设计要求。     

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。     

基于OpenSceneGraph的无人机雷达载荷视景仿真应用研究

为了实现无人机视景仿真训练中合成孔径雷达（Synthetic aperture radar-SAR）载荷的仿真,本文采用开源仿真平台OpenSceneGraph（OSG）,设计一种SAR雷达图像仿真的方法。该方法在OSG的基础上,采用GLSLang（OpenGL Shading Language）渲染技术,解决雷达图像的渲染,并实现雷达图像的地面站显示。最后设计仿真流程并对该方法进行仿真验证。仿真结果表明,本文设计的方法能够实现无人机SAR雷达视景仿真的功能,为无人机雷达载荷视景仿真提供一种新的技术途径,并在某型无人机仿真训练中得到应用。     

单极化合成孔径雷达影像在土地利用分类中的潜力分析

从我国土地利用调查应用出发,为了解决我国多云多雨地区土地利用分类及遥感动态监测问题,以面向对象影像分割、分类软件--Definiens Developer作为处理平台,对中分辨率星载合成孔径雷达（SAR）（以ENVISAT ASAR和Radarsat-1为例）、高分辨率星载SAR（以TerraSAR-X为例）进行分类处理,分析了单极化星载中、高分辨率星载SAR在土地利用分类中的能力,并对该模式星载SAR在土地利用分类中的影像特征和可解析程度进行了小结。     

旋翼微小型无人机地面站系统的设计与实现

针对旋翼机的控制复杂性,设计一套面向旋翼式微小型无人机的地面控制站系统。利用该系统可进行航迹设定和任务规划,存储和回放飞机航行记录,接收航拍图像,并通过对旋翼式无人机虚拟模型和视频图像的融合处理,实时显示飞机飞行姿态、位置及运行状态,实现旋翼式微小型无人机的超视距遥控,具有直观、形象的良好操控性能。     

四旋翼无人机飞行过程孪生仿真研究

为了满足无人机在实际飞行过程中的虚实交互、实时响应和精确控制等要求,以四旋翼无人机的飞行过程作为任务需求,提出基于数字孪生技术的四旋翼无人机飞行过程仿真研究。搭建了四旋翼无人机飞行数字孪生系统架构,分析了数字孪生体仿真数据的流向及其作用,并对四旋翼无人机飞行数字孪生系统的功能和意义进行了介绍。从几何、物理、行为和规则等四个方面融合构建了四旋翼无人机的数字孪生体模型。最后进行了四旋翼无人机巡航过程的案例研究,通过仿真案例中的各项参数分析,考察了虚实无人机之间的交互性,证明了数字孪生体模型的精确性,验证了四旋翼无人机飞行数字孪生系统的可行性。     

基于浸入—不变集的三旋翼无人机高度系统自适应控制器设计

针对三旋翼无人机的研究集中于数学模型分析、简单的控制算法设计等起步阶段,且高度系统空气阻尼系数未知的情况,研究了三旋翼无人机高度系统的控制问题。基于浸入—不变集方法设计了一种控制三旋翼无人机跟踪目标高度的自适应控制器,根据三旋翼无人机飞行运动特点,推导了三旋翼无人机运动数学模型,完成了控制器参数设计和气动参数选择,采用Lyapunov分析方法对所设计控制器的渐近稳定性进行了理论证明,并对未知空气阻尼系数进行了在线估计,最终在三旋翼无人机实验平台上在环仿真实验验证。实验结果表明,高度跟踪误差在0-6秒可较好地趋于收敛,控制阻尼系数估计值也较好地收敛于合理的范围,表明该算法稳态误差小,收敛速度快,具有较好的控制性能和较强的实用性。     

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。     

基于虚拟现实的四旋翼无人机控制仿真教学平台

针对现有仿真教学平台在开展对四旋翼无人机控制仿真教学时存在的问题,引入虚拟现实技术开展对四旋翼无人机控制仿真教学平台的设计研究。首先,利用MATLAB和Java设计四旋翼无人机控制仿真教学平台结构框架;其次,对平台中所需的无人机、蓝牙、通信芯片等硬件选型;最后,利用虚拟现实技术构建四旋翼无人机控制模型。通过对比实验证明,新的仿真教学平台可以实现对无人机控制飞行轨迹的直观展示,对于提高仿真教学质量具有重要的意义。     

小型旋翼无人机巡线模拟降雨系统

为了改善现阶段巡线小型旋翼无人机在降雨环境下巡检性能参差不齐的现状,根据无人机在降雨环境下的巡检功能要求,在分析降雨对飞行性能影响的基础上,有针对性地确定系统参数,采用西门子S7-200控制器构建了适用于小型旋翼无人机巡线的模拟降雨系统,阐述了系统的硬件组成、控制算法及软件实现,该系统可自动调节降雨强度、实时显示并存储试验数据.试验测试结果表明,系统稳定可靠,可检测小型旋翼无人机在降雨环境下的巡检性能,对于大、中型旋翼以及固翼等无人机的巡检性能试验开发具有重要意义.     

基于CompactRIO的四旋翼飞控实时仿真平台设计

针对四旋翼无人机实时飞行控制系统的控制算法设计与参数整定,设计了一种基于CompactRIO的飞行控制系统实时仿真平台,该平台使用两台CompactRIO作为主控制器,分别在其嵌入式实时系统(VxWorks)中运行Simulink设计的无人机动力学模型与飞行控制系统模型,并使用LabVIEW开发PC上位机监控程序,用于调整飞行状态和整定控制参数;经试验证明,该平台实用性强,可视化程度高,实时性好,能较好地对四旋翼飞控系统进行实时仿真验证。     

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.     

MIMU辅助无人机相关干涉仪测向方法研究

机载相关干涉测向技术近年来发展迅速,其中微型旋翼无人机凭借悬停飞行能力,为测向系统提供了良好的工作环境,被广泛应用于侦察、救援和救灾等诸多领域.干涉仪测向体制的原理是通过测量位于不同电波波前的天线间相位差来确定来波方位,从其原理可知,载体平台基准误差是测向的主要误差源之一,在以微型旋翼无人机为载体时,误差对测向系统的影响更为突出.针对上述问题,分析了振动对微型旋翼无人机干涉测向算法性能的影响,并提出了一种微型惯性测量单元(Miniature Inertial Measurement Unit,MIMU)辅助状态下的微型旋翼无人机强鲁棒性相关干涉仪测向方法.方法利用MIMU检测无人机振动所产生的角度干扰,根据得出的信息和改进后的干涉测向算法来校正测向结果.仿真结果表明,基于MIMU的微型旋翼无人机测向方法在振动影响下仍具有较高的测向精度,验证了该方法的有效性.     

基于SLAM的旋翼无人机组合导航算法研究

在旋翼无人机组合导航中,针对缺乏GPS作为导航信号源的室内飞行环境,为了达到精确定位的目的,提出一种基于SLAM（simultaneous localization and mapping）的旋翼无人机组合导航算法。首先,引入双线性插值算法,实现基于扫描匹配的即时定位与地图构建;其次,对陀螺仪、加速度计和磁罗盘建立捷联惯导系统误差模型,针对旋翼无人机的使用环境对误差模型进行简化;最后,应用联邦卡尔曼滤波算法,设计组合导航系统模型,将SLAM算法和捷联惯导系统估计出的位置数据进行融合。仿真结果表明所设计基于SLAM的旋翼无人机组合导航算法能够进一步提高组合导航系统对旋翼无人机位姿估计的精度。     

系留多旋翼无人机通信系统天线布局及仿真分析

设计了一种适用于系留多旋翼无人机通信系统的天线布局,采用FEKO仿真软件进行了电磁兼容仿真分析,并进行了实装试飞。仿真及实测表明,该天线布局方式可适用于多旋翼无人机通信系统。     

四旋翼无人机可视化轨迹跟踪仿真系统

为了便于对四旋翼无人机控制算法进行实验仿真和验证,联合Solidworks和Matlab/SimMechanics工具箱设计了一种四旋翼无人机可视化轨迹跟踪仿真系统;利用Solidworks搭建了四旋翼无人机三维实体模型,并通过Solidworks和Matlab转换接口将该实体模型导入到Matlab/SimMechanics中;Matlab/SimMechanics提供了了三维可视化窗口,可以显示无人机的实时仿真状态;仿真平台在Matlab/SimMechanics环境中实现,与Matlab/Simulink通信方便,可方便的将Simulink设计好的控制算法添加到仿真系统中,以进行验证和参数整定,还具有姿态分析和数据分析等功能;轨迹跟踪仿真结果表明,四旋翼无人机可视化轨迹跟踪仿真系统直观可视,准确可靠,能较好地对控制算法进行研究和测试,对四旋翼无人机以及控制算法的研究和开发具有重要价值。     

四旋翼无人机姿态系统的非线性容错控制设计

本文研究了四旋翼无人机执行器发生部分失效时的姿态控制问题.通过分析其动力学特性,将执行器故障以乘性因子加入系统模型,得到执行器故障情况下四旋翼无人机的姿态动力学模型.在同时存在未知外部扰动和执行器故障的情况下,设计了一种基于自适应滑模控制的容错控制器.利用基于Lyapunov的分析方法证明了所设计控制器的渐近稳定性.在四旋翼无人机实验平台上进行了实验,验证了该算法对存在未知外部扰动和执行器部分失效时四旋翼无人机的姿态控制具有较好的鲁棒性.