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．     

旋翼无人机在移动平台降落的控制参数自学习调节方法

无人机设备能够适应复杂地形,但由于电池容量等原因,无人机无法长时间执行任务。无人机与其他无人系统（无人车、无人船等）协同能够有效提升无人机的工作时间,完成既定任务,当无人机完成任务后,将无人机迅速稳定地降落至移动平台上是一项必要且具有挑战性的工作。针对降落问题,文中提出了基于矫正纠偏COACH(corrective advice communicated humans)方法的深度强化学习比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)方法,为无人机降落至移动平台提供了最优路径。首先在仿真环境中使用矫正纠偏框架对强化学习模型进行训练,然后在仿真环境和真实环境中,使用训练后的模型输出控制参数,最后利用输出参数获得无人机位置控制量。仿真结果和真实无人机实验表明,基于矫正纠偏COACH方法的深度强化学习PID方法优于传统控制方法,且能稳定完成在移动平台上的降落任务。     

四旋翼无人机轨迹跟踪的容错控制

针对四旋翼无人机轨迹跟踪的容错控制问题,提出了一个鲁棒[H∞]控制和干扰观测器与故障估计器相结合的容错复合控制器的方法。在外部有界扰动和加性故障的条件下,实现对四旋翼无人机的轨迹跟踪。将四旋翼无人机非线性动态模型解耦成独立的外环位置控制系统和内环角度控制系统,引入区间矩阵对系统参数进行描述,使用干扰观测器和故障估计器进行干扰和故障的估计和补偿。然后设计一个复合控制器既能更好地抑制干扰又能保证无人机在自身存在故障的情况下平稳飞行。通过仿真证明该方法的有效性。     

小型固定翼无人机定点降落轨迹跟踪与控制

自动降落是无人机自主性的重要指标之一,具有自动定点降落的小型固定翼无人机能够实现自动撞网、自动钩拦阻索等降落回收方式,对无人机的实际应用有巨大的意义.本文给出了一种小型固定翼无人机定点降落的控制方案,使用扩张状态观测器和基于动压的增益调度解决了动压变化对无人机飞行品质的影响,使用速度矢量和侧偏距控制方法引导无人机实现定点降落.     

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。     

面向空地协同移动边缘计算的服务布置策略

无人机辅助的移动边缘计算被认为是在下一代移动通信网络中能高效灵活处理时延敏感的计算密集型任务的潜力技术之一.本文研究了基于无人机的空地协同移动边缘计算的服务布置问题,具体而言,如何在满足任务时延需求和其他资源约束的情况下,通过联合优化无人机和地面基站的服务布置、无人机航迹、任务卸载和计算资源分配,以最小化所有用户的总能...     

基于深度学习的四旋翼无人机地面效应补偿降落控制设计

针对四旋翼无人机在降落控制过程中地面效应对控制性能有较大影响的问题,在地面效应复杂,难以建立机理模型的约束下,提出一种基于深度学习的新型非线性鲁棒控制策略.利用深度神经网络的学习能力,建立无人机降落过程中未知地面效应的补偿模型;结合super-twisting控制设计,实现对降落过程中未知地面效应的快速抑制和无人机降落...     

hp自适应RPM在四旋翼无人机轨迹优化中的应用

通过分析四旋翼无人机动力学模型并获取实际参数,利用hp自适应Radau伪谱法(Radau pseudospectral method RPM)优化四旋翼无人机避障轨迹。hp自适应RPM利用Legendre-Gauss-Radau(LGR)点将连续最优控制问题转化为非线性规划问题,根据不同点处的误差进行自适应的细化区间或增加配点,以最快的速度逼近状态变量和控制变量。根据仿真结果显示,在以轨迹最短为目标的情况下,hp自适应RPM效率较高,目标轨迹更短,优化结果较为满意。     

面向无人机空地通信的无线信道密钥生成技术研究

无人机(unmanned aerial vehicles, UAVs)部署为空中通信节点为地面用户提供服务是未来非常具有吸引力的通信手段,基于信道密钥生成的方式可用于解决无线通信的安全问题.但空地信道的信道特征在短时间内互易性不佳的特点,会导致信道密钥生成性能急剧下降.针对这一问题,本文针对无人机测控单载波频域均衡(signal carrier frequency-domain equalization, SC-FDE)通信体制,提出了一种基于信道频域响应幅度最大值位置变化的单比特信道特征量化方法设计,所提量化方法有效融合了信道频域响应的幅度和位置信息,降低了初始密钥的不一致率.进一步,基于此量化方法设计了一整套可应用于无人机测控通信的密钥生成方案.最后,利用Xilinx的ZYNQ平台,搭建实现了实时的测控信道密钥生成系统,验证了所提方案在无人机空地信道下的可行性和可靠性.特别地,基于搭建的无线信道密钥生成系统,在节点静止、运动等不同无人机空地通信场景下进行了外场测试.结果表明,在终端运动状态下生成的密钥可以通过NIST随机性测试,且其密钥生成速率达28 bps.     

四旋翼无人机参数预测和抗扰动自适应轨迹跟踪控制

为了降低外界环境对四旋翼无人机飞行轨迹的扰动性,提高无人机的控制精度,提出1种基于滑模控制的四旋翼无人机参数预测和抗扰动的自适应轨迹跟踪控制器。这种控制器对四旋翼无人机系统的不确定状态参数、气流、风阻和执行器故障等外界扰动进行预测,实现了对系统输入的状态补偿和扰动补偿,提高了无人机的轨迹跟踪效率和抗扰动能力,消除了机体在飞行过程中的抖振现象,提高了无人机系统对环境的适应性和控制器的稳定性。通过仿真实验,分析了四旋翼无人机在不同控制器作用下的轨迹跟踪性能曲线,验证了所提出的控制器的优越性和有效性。     

基于旋翼无人机近地面空间应急物联网节点动态协同部署

针对基于旋翼无人机的近地面空间应急物联网在缺少地面基站和能量受限的情况下,可靠节能地远距离传输重点区域全信息的要求,研究由无人机组成的移动Ad-Hoc网络的远距离通信问题,提出近地面空间应急物联网空地节点动态协同部署方法.首先,对该类物联网进行系统建模;其次,根据所建模型中无人机编队大范围、队列化、微漂移地分散于监测区...     

电动多旋翼无人机在高压电路协同巡线中的应用

针对现有无人机巡线效果差的问题,提出了电动多旋翼无人机在高压电路协同巡线中的应用.在实际环境中进行实验验证分析,由结果可知,该无人机巡线效果较好,为保障高压电路故障排查提供设备支持.     

基于强化迭代学习的四旋翼无人机轨迹控制

为进一步提升在未知环境下四旋翼无人机轨迹的跟踪精度,提出了一种在传统反馈控制架构上增加迭代学习前馈控制器的控制方法。针对迭代学习控制（ILC）中存在的学习参数整定困难的问题,提出了一种利用强化学习（RL）对迭代学习控制器的学习参数进行整定优化的方法。首先,利用RL对迭代学习控制器的学习参数进行优化,筛选出当前环境及任务下最优的学习参数以保证迭代学习控制器的控制效果最优;其次,利用迭代学习控制器的学习能力不断迭代优化前馈输入,直至实现完美跟踪;最后,在有随机噪声存在的仿真环境中把所提出的强化迭代学习控制（RL-ILC）算法与未经参数优化的ILC方法、滑模变结构控制（SMC）方法以及比例-积分-微分（PID）控制方法进行对比实验。实验结果表明,所提算法在经过2次迭代后,总误差缩减为初始误差的0.2%,实现了快速收敛;并且与SMC控制方法及PID控制方法相比,RL-ILC算法在算法收敛后不会受噪声影响产生轨迹波动。由此可见,所提算法能够有效提高无人机轨迹跟踪的准确性和鲁棒性。     

一种面向移动平台的无人机自主降落控制方法

准确获取无人机的位姿信息是顺利执行无人机自主导航、着陆的首要前提。由于GPS/INS导航系统的局限性和IMU惯性导航系统的误差,提出了一种基于视觉导航的方法。设计了"H"形图像的着陆标志,对机载摄像机采集的实时影像进行图像处理,利用世界坐标系到图像像素坐标系的映射关系得到基于视觉的无人机位姿估计模型,进而解算无人机当前的位姿估计值。上述方法提高了无人机的着陆安全性。仿真结果验证了算法的有效性和位态信息的精确度。     

基于模型的四旋翼无人机半实物仿真平台研究

为了降低在真实飞行器上测试新的控制策略时所存在的设备损坏风险,对四旋翼无人机的控制器和半实物仿真实验平台进行了开发和介绍;首先,分析了四旋翼无人机基本结构和飞行原理,并对其进行了动力学建模;其次,设计了对应的常规PID控制器和滑模控制器,并进行了Matlab仿真对比和分析;最后,展示了采用先进的基于模型的设计方法和代码自动等技术的半实物仿真实验平台,并详细介绍了其硬件和软件的总体架构和不同模块的配置;仿真结果表明所设计滑模控制器相比于PID控制器有更好的控制效果,并给出了其在半实物仿真平台上用来研究四旋翼无人机姿态控制的可行性。     

面向自由飞行目标捕获的四旋翼最优轨迹规划

自由飞行目标物捕获作为动态任务，在其被执行的过程中，四旋翼不仅要规划出一条时间最优的追踪轨迹，而且还要根据目标物的位置反馈信息实时对轨迹进行重新规划，以实现在最短的时间内追上目标物.针对这一问题，提出了诱导时间最优MPC （model predictive control）算法用于四旋翼的轨迹规划.该算法通过宽松约束条件下时间最优轨迹的引导，利用MPC的滚动优化策略，可以在每个控制周期内用反馈信息实时求解时间最优的追踪轨迹.为了躲避追踪路径中的障碍物，本文还提出了一种用动态线性约束表示障碍物的方法，以提高障碍物约束下轨迹求解的效率.结合诱导时间最优MPC的算法，可以在线实时地求解出具有障碍物避碰能力的时间最优轨迹.仿真结果表明了本文提出算法的有效性，其高效的计算效率也能满足实际系统对算法实时性的要求.     

基于RFID技术的四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统设计

为促进四旋翼无人机的飞行自主性,增强无人监管情况下飞行器主机所具备的避障行进能力,设计基于RFID技术的四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统;采用RFID标签识别技术,调制处理既定控制信号,利用标签识别协议,连接微型四旋翼轨迹控制器与内环姿态控制器,通过数据通信链路,提取轨迹跟踪控制所需的传输电子量,完成轨迹跟踪控制系统硬件设计;利用动力系统中的参数辨识策略,确定与轨迹姿态控制相关的物理规律标注,实现四旋翼无人机轨迹跟踪控制;实验结果表明,与机器视觉型控制系统相比,基于RFID技术的控制系统的SSI避障行进指标数值相对较高,全局最大值达到了 79％,四旋翼无人机滚转角平均值为85°,能够有效抑制四旋翼无人机滚转角的数值上升趋势,增强无人监管情况下飞行器主机避障行进能力.     

基于固定时间扰动观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

针对六自由度小型四旋翼无人机在轨迹跟踪控制过程中,单一控制器构成的控制系统存在外部未知干扰,系统的鲁棒性以及轨迹跟踪精度容易产生较大的波动问题,该文章提出了一种基于固定时间扰动观测器的全闭环控制方案,即针对位置与姿态的双闭环控制;首先利用固定时间理论设计了两个扰动观测器,在固定时间内对扰动做出估计并进行补偿;在此观测器对扰动值的精确估计基础之上,设计了两个具有扰动补偿能力的非线性跟踪控制器;李雅普诺夫稳定性理论证明了所述方法的有效性;仿真实验中,为对比所述控制方法的有效性,同时采用传统单一控制器构成的无人机控制系统进行对比分析;在无人机质量为m=1.44 kg、环境重力加速度为g=9.8 m/s2以及其他模型参数一致的前提下,进行大量的仿真实验验证了所提出的基于固定时间扰动观测器的扰动补偿控制系统,能够保证小型四旋翼无人机六自由度受到复杂外部干扰时准确估计出外部干扰值,并实现无人机进行高精度轨迹跟踪控制,且轨迹跟踪精度与抗扰性能皆优于传统单一控制器构成的无人机控制系统.