多无人机编队飞行硬件在环测试平台系统的研究

为了能够验证基于各种智能算法所设计出的多无人机近距耦合编队飞行控制器的工作性能,研制了一套新的、低成本的硬件在环测试平台系统,由基于DSP技术的飞行控制子系统、基于Statemate技术的飞行控制子系统虚拟原型机和地面测试子系统组成,并阐述了各子系统的硬软件结构及其关键技术.最后,利用该测试平台,对所研究的多无人机编队飞行模型和编队飞行控制器进行了测试.试验结果表明,该测试平台系统可以测试编队控制器在不同条件下对无人机编队飞行的控制效果,同时也可通过该平台来进一步证明所研究的编队飞行控制系统相关理论算法的正确性和有效性.     

基于连续可微采样的无人机多向视点规划

无人机在各种工业基础设施的自主巡检中,需要为大型复杂待巡检对象设计大量的数据采集航点,以获取高质量的全覆盖影像数据。逐点飞行作业能耗高采集效率低,限制了无人机大规模的工业应用。为了优化飞行作业模式,有效提升巡检效率,针对已知待巡检复杂设备结构提出一种全新的多向视点规划算法——连续可微采样的无人机多向视点规划算法(MD-VPP)。该方法在满足全面覆盖巡视目标以及数据采集质量要求的前提下,大幅减少航点数量。首先,将云台俯仰角、偏航角和相机成像面积作为约束条件,构建视点采集连续可微的视图质量目标函数,优化求解候选视点集;然后利用贪心算法求解全覆盖待巡检对象的航点位姿。通过实验对比分析了针对不同巡检对象的航点数量和航点数减少率,相比领域内其他优秀方法,所提方法在确保全覆盖的前提下航点数量至少降低77%,极大地提升了无人机单次作业的数据采集效率。     

基于视觉的小型四旋翼无人机自主飞行控制

提出为实现小型四旋翼无人机自主飞行控制,设计一种基于视觉的飞行控制方法,并搭建嵌入式控制架构飞行试验平台。在控制过程中,光流信息与姿态角信息进行融合用于估计无人机水平位置信息,利用获取到的水平位置信息作为内外环结构的比例微分积分(Proportion integration differentiation,PID)控制器外环反馈信息。不同于传统的基于地面站的控制架构试验平台,该飞行系统中采用了一个嵌入式控制架构的试验平台。该平台依靠机载嵌入计算机进行光流计算、运动状态估计,并采用机载飞行控制器执行控制算法。这种嵌入式控制架构工程实现难度高,但更利于实现四旋翼无人机的全自主飞行控制。试验结果表明,提出的设计方法取得了较好全自主飞行控制效果。     

基于Pixhawk的无人机室内通道自主避障研究

针对目前的无人机自主避障研究,以及无人机穿越的需求,提出了一套能完成避障穿越的四旋翼无人机避障系统。其中采用了Pixhawk作为无人机的飞行控制器,树莓派3B+上来运行MAVROS和避障算法,以及连接超声波传感器,通过超声波传感器来判断无人机当前位置,通过MAVLINK发布安全航点给无人机,进行避障穿越飞行。     

全方位航拍无人机变形机架的创新设计与研究

鉴于常规多旋翼航拍无人机摄像机侧向拍摄时无法兼顾飞行方向上的障碍物而只能拍摄正前方、整机重量影响续航时间、收纳体积较大对运输和存储造成困难、单人操控复杂拍摄任务时难度大等问题,以航拍无人机承载平台的机架为主体设计重点,采用丝杆滑块机构和定长的4杆机构组合,使机架具有变形特性。通过PWM信号控制电路驱动直流减速电机驱动各个模块组件的相对位置和抬高拍摄时的动力输出平面,使整机重心低于动力输出平面且获得更佳的抗风和稳定性能,以提升其拍摄画面的效果;又创新性地将飞行控制与拍摄角度控制进行了独立设计,以提高飞行安全性的同时可实现360°全方位航拍,这将大大降低航拍的拍摄难度甚至复杂的拍摄任务。机架变形特性的研究有助于航拍无人机的承载平台设计。     

无人直升机飞行姿态控制平台设计

无人直升机飞行姿态控制平台建设是实现其无人自主飞行的关键环节。为小型单旋翼带尾桨式微型航模直升机("雷虎90")设计构建了基于PC104以及DSP+CPLD的飞行姿态控制平台。采用"机载上位机-机载下位机-地面站"的系统架构方式,保证了机载系统的可靠性并具有足够的信息处理能力。使用数字增量式PID控制算法对无人机飞行姿态的控制,并通过飞行试验对控制平台和控制算法进行验证。     

基于地面测控的无人机编队飞行控制系统

针对某型无人机,进行了地面测控系统的设计,从硬件和软件上对此测控系统进行了描述。在测控的基础上,加入了多无人机的编队飞行控制系统,采用线性控制理论设计了队形保持控制器,通过仿真验证了控制系统的可行性与控制效果。     

基于虚拟现实的无人机飞控系统半物理仿真研究

研究了基于虚拟现实的无人机飞控系统半物理仿真平台,将飞控计算机和执行机构等实物接入系统,利用OpenGL建立无人机模型和飞行场景,采用分布式地面站网络实时显示无人机在虚拟环境下的飞行状态,实现可视化的半物理仿真验证,其效果令人满意。     

基于无人机平台和图像处理的水稻感染稻纵卷叶螟虫害自动识别技术

传统的水稻虫害识别方法主要依靠人工经验来判断,费时费力,急需一种快捷、准确且实时性好的识别方法,对水稻生产过程进行指导。结合无人机平台和图像处理技术对稻纵卷叶螟虫害进行自动识别,将无人机巡航拍照定位技术和图像处理软件用于水稻感染虫害的识别,通过无人机低空巡航飞行,巡航过程中对水稻按周期拍照,回传水稻照片和位置信息。地面站对航拍的水稻图像进行处理,选出疑似感染水稻纵卷叶螟的区域,最后对识别出疑似的病虫害区域通过人工实地观测,验证了自动识别软件的准确度,为无人机精准洒农药以及控制药量提供参考。     

基于虚拟现实的无人机飞控系统半物理仿真研究

研究了基于虚拟现实的无人机飞控系统半物理仿真平台，将飞控计算机和执行机构等实物接入系统，利用OpenGL建立无人机模型和飞行场景，采用分布式地面站网络实时显示无人机在虚拟环境下的飞行状态，实现可视化的半物理仿真验证，其效果令人满意。     

火星环绕器姿轨控制误差对高分相机像质的影响

火星环绕器绕火飞行,轨道是大椭圆轨道。高分相机是火星环绕器的有效载荷之一,在其轨道上对火拍摄,其成像质量除与自身参数相关外,还与姿轨控制误差有很大关系。为了实现对火星的高分辨率拍摄,本文对姿轨控制误差与相机成像质量的关系进行了研究。首先,分析了火星环绕器姿轨控制对高分相机像移的影响模型;然后,利用平行光管、动态目标模拟器搭建试验验证平台,通过地面测试设备仿真环绕器平台参数。设置动态目标模拟器产生速度随姿轨参数变化的动态目标,为相机提供拍摄目标。相机实时进行像移计算,并拍摄成像。试验结果表明,当测轨精度不大于1 km时,测速精度不大于1 m/s时,能保证相机动态MTF值下降不超过10%。采用高精度的姿轨控制可保证高分相机在轨成像质量的要求。     

基于单目视觉的无人机自主跟踪降落研究

无人机对地面运动物体的跟踪研究一直是无人机自主控制领域重要的研究方向。以四旋翼无人机为平台,设计了无人机对地面目标的自主降落跟踪系统。在无人机上搭载单目相机获取地面移动机器人的图像信息,同时搭载的计算机实时计算获取地面移动机器人的运动状态数据,然后反馈给无人机运动控制系统,完成对地面移动机器人的跟踪。实验表明,该系统可以进行稳定的地面运动物体跟踪。     

基于pix的无人机协同巡航平台应用

当前无人机的应用日益广泛,但是,受制于其载荷能力有限,现在亟需开发双机协同的能力,从而增强无人机的应用范围。首先进行了无人机协同巡航平台的搭建,包括无人机系统、通信系统和地面站系统;并依托此平台进行实验,最后构建效能函数,计算航线完成能力和长僚机响应能力。经过实验验证,平台可以稳定地进行无人机协同巡航飞行,验证了其可行性和有效性。     

多旋翼无人机姿态控制方法设计与分析

多旋翼无人机因其机械结构简单、维护使用方便等突出特点,近几年在各个应用领域发展迅速。但由于其动态系统为非线性、强耦合,并且对外界及自身系统干扰敏感等特点使其系统难以控制。通过分析无人机的飞行姿态,设计了一种相对传统PID控制方法进行改进的无人机姿态控制方法,并在软件上编程实现,通过飞行测试及地面站输出的结果,验证了该方法确实有助于改善无人机的动态性能,使其在有外界及自身系统干扰的情况下更易于控制,更稳定。     

四旋翼机器人运动控制与动力学研究与设计

针对四旋翼机器人关键技术进行了深入的研究,首先分析了四旋翼机构特征及其主要的用途。其次,根据其旋翼采用正交安装的结构特征进行了运动控制分析,实现了悬停、前后、水平、俯仰和翻转运动等。再次,建立了四旋翼机器人的非线性动力学数学模型,实现了无人机实时力矩补偿控制。最后,采用模糊自适应PID控制算法设计位姿控制器,提出了一种基于动态数学模型的位姿控制方法。经过实验,将运动控制和动力学算法应用到四旋翼机器人,进行了空载位姿跟踪和悬停等实验,同时采集了姿态转角。通过实验证明了无人机运动控制算法、动力学算法和模糊自适应控制器的稳定性、准确性和鲁棒性。     

基于运动相机的无人机航拍技术优越性研究

提出了将运动相机应用到无人机航拍外设技术层面,能够降低航拍的使用成本,同时能够使得航拍更具优越性。分别选取开阔的运动场环境与室内的环境进行实验,对比于当前航拍领域通用的5.8G图传设备,通过实验数据分析、图片质量分析,探究基于运动相机的无人机航拍技术的优越性。实验表明,该方案使得无人机具有空中随时拍照与摄影的灵活功能,使得无人机具有适应于某些复杂的室内环境监测作业的功能。     

四旋翼无人机的编队飞行控制系统设计

为了解决单架无人机执行任务效率低,安全冗余差等问题设计了一种基于GPS的无人机编队飞行控制系统。无人机端主控芯片采用STM32F427搭载Nutt X嵌入式操作系统,保证了姿态解算、姿态控制、导航、通讯等复杂任务的实时有序执行。使用ZigBee通讯模块、MAVLink通信协议搭建无线通讯链路,并解决了多节点之间的通讯以及通讯冲撞问题,实现了无人机之间、无人机和地面站的稳定通讯。在地面站端对各架无人机位置的检测,并在此基础上使用编队算法实现多架无人机的三角形、直线等阵形的编队飞行。实验表明,该系统能有效的实现多无人机的编队飞行控制。     

无人机地面站键盘操作台的设计与实现

无人机地面站键盘操作台是无人机控制系统的重要组成部分,集成了无人机的所有的飞行指令,它的设计合理与否直接关系到无人机的安全飞行。文章提出了两种无人机地面站键盘操作台的设计方法,一种为基于VisualC＋＋快捷键的软件实现,一种为基于DSP和键盘控制芯片CH451的硬件实现。两种实现方法经过实际联调,基本达到了预期的效果,并且具有很好的扩展性和可靠性。     

基于绳驱并联机器人系统刚度的力/位混合控制

对8绳6自由度绳驱并联机器人进行支撑刚度分析，基于刚度模型进行了力/位混合控制研究。首先，对绳驱并联机器人进行系统描述；接着，根据矢量封闭原理进行运动学分析，并对动平台进行受力分析，推导出静力平衡方程；然后，在操作空间通过刚度矩阵建立负载变化与位姿变化之间的关系，推导出支撑刚度的解析表达式，进而分析了影响支撑刚度的因素。另外，考虑系统刚度、动平台位姿精度和力控制稳定性等因素，综合出力/位混合控制器。仿真结果表明，在系统刚度基础上提出的力/位混合控制策略有效降低了动平台的位姿误差。最后，通过实验验证了刚度模型与力/位混合控制策略的准确性和有效性。     

中国兵器工业集团微小型无人直升机自主飞行控制技术获多项国家专利

由中国兵器工业集团信息集团智能控制系统研发部承研的基础科研项目“微小型无人直升机自主飞行控制技术”获得了多项国家专利。无人直升机自主飞行控制技术是国内外无人系统领域研究的热点和难点之一,研发部科研人员以基础科研项目为依托,集中优势力量进行技术攻关,在无人直升机自适应飞行控制算法、飞控计算机、地面站设计等核心关键技术方面获得了创新和突破,申报了“基于CAN总线的无人机高效控制系统”、“新型无人机自适应控制方法”等多项专利。