基于MPU6050和互补滤波的四旋翼飞控系统设计

针对四轴飞行器飞行性能不稳定和惯性测量单元（IMU）易受干扰、存在漂移等问题,利用惯性传感器MPU6050采集实时数据,以经典互补滤波为基础,提出一种可以自适应补偿系数的互补滤波算法,该算法在低通滤波环节加入PI控制器,依据陀螺仪测得的角速度实时调节PI控制器补偿系数。飞行器姿态控制系统采用双闭环PID控制方法,姿态解算的欧拉角作为系统外环,陀螺仪角速度作为系统内环。最后,搭建以NI myRIO为核心控制器的四轴飞行器,通过LabVIEW实现算法和仿真,实验结果表明,自适应互补滤波算法可以准确解算姿态信息,双闭环PID控制超调量小、反应灵敏,控制系统基本满足飞行要求。     

基于AVR单片机的机载惯性稳定云台设计

针对多旋翼无人机在航拍时,画面会随着巡航时俯仰、横滚等飞行动作而变得不稳定的问题,设计了一种基于AVR单片机和MEMS陀螺仪的机载惯性稳定云台。该云台利用经卡尔曼滤波(Kalman Filtering)的陀螺仪输出数据对飞机在三个轴向上的角速度变化进行监测和判断,驱动步进电机对云台姿态进行实时反向补偿,实现这一系统使摄影机拍摄的画面能够时刻保持稳定。实验结果表明,系统稳定、可靠、性能良好。     

基于LabVIEW的飞行器参数测量平台设计

基于LabVIEW设计了一种飞行器加速度、角速度及姿态角测量平台系统。硬件系统采用计算机、6轴惯性导航模块及USB转TTL模块;软件系统基于LabVIEW编写了飞行器加速度、角速度及姿态角的三维数据测量平台系统。该系统还可应用于船舶、汽车导航系统的加速度、角速度及姿态角的三维数据测量显示。实验结果表明,该系统易于控制,能方便地观察加速度、角速度及姿态角的三维数据曲线,并且当6轴惯性导航模块改变状态时,输出曲线均能随之改变并能快速达到新的稳定状态。     

基于MSP430的图像消旋模拟系统设计

为了消除飞行器机体旋转对其上所携带相机的姿态的耦合影响,实现对目标图像的消旋,设计了隔离机体旋转的消旋平台系统。选用TI公司生产的MSP430F247微控制器和高精度MEMS角速率陀螺仪,组成闭环控制系统,使其能消除机体旋转对相机姿态的耦合影响。由于飞行测试成本高昂,还设计了模拟机体旋转平台以及配套的人机交互软件,可通过软件预设角速度-时间曲线,模拟飞行器在不同飞行阶段的旋转姿态,从而检验消旋控制系统的消旋效果。两者组成了完整的航空图像消旋模拟系统。实践结果表明本设计各项参数及指标均符合实际工作需要,消旋平台的消旋效果十分理想,并且可以适应于温度变化剧烈的工作环境。     

四轴飞行器姿态控制系统设计

四轴飞行器具有不稳定、非线性、强耦合等特性,姿态控制是四轴飞行器飞行控制系统的核心;通过分析四轴飞行器的飞行原理,根据其数学模型和系统的功能要求,设计了四轴飞行器的姿态控制系统;该系统采用stm32系列32位处理器作为主控制器,使用ADIS16355惯性测量单元等传感器用于姿态信息检测;系统基于模块化设计的思想,各传感器都使用数字接口进行数据交换,结构简单;使用PID控制算法进行姿态角的闭环控制,实验结果表明,飞行器能较好的稳定在实验平台上,系统满足四轴飞行器室内飞行姿态控制的要求.     

欠驱动刚体航天器奇异避免的反步姿态控制

为了完成欠驱动刚体航天器(UCRS)姿态系统的稳定控制,使得UCRS全程稳定飞行,本文提出了一种奇异避免的反步控制(SABSC)方法.首先,对于已知的UCRS系统的动力学模型和利用(w, z)参数表述的运动学模型,本文通过构造合适的李雅普诺夫函数,推导得到了两个驱动轴角速度理想的函数表达式,确保了姿态系统参数的一致收敛;其次,在理想姿态角速度的基础上,借助于重构期望的李雅普诺夫函数,设计得到了奇异避免的反步控制器;最终,为了检验本文提出的SABSC的性能,进行了数值仿真实验,实验结果表明本文提出的控制器具有较好的控制性能.     

红外成像半捷联导引头光轴稳定方法研究

红外成像半捷联导引头去掉了稳定平台上的速率陀螺,满足了减小体积和降低成本的要求,但失去了直接测量平台惯性角速度的能力;为实现半捷联平台稳定,文章采用了角速度补偿法,使用惯导测量的弹体角速度与框架角速度合成得到光轴的惯性视线角速度,为减小伺服系统中非线性因素和模型不确定性带来的干扰影响,文章采用自抗扰控制技术设计了稳定回路的控制器;最后在设定的仿真条件下进行仿真,半捷联导引头稳定回路的隔离度始终小于4%,证明文章提出的光轴稳定方法可以较好地隔离弹体的姿态扰动。     

应用于多旋翼MAVs的姿态测量系统

应用一个三轴加速度计、三个单轴角速率陀螺和一个三轴磁强计等微机械惯性传感器,设计廉价轻量姿态测量系统,研究了姿态角推算算法。在以往的姿态测量系统中,陀螺偏差和动加速度的影响限制其应用。将角速度陀螺的误差作为状态量导入到系统,动加速度作为噪音项导入到观测方程中,然后利用扩展卡尔曼滤波器来构成姿态估计算法来降低误差。实际飞行中对比商用高精度传感器和多次室外飞行测试表明,设计的系统能够应于旋翼MAVs。     

四旋翼飞行姿态测试平台设计及稳定性分析

四旋翼飞行器非线性、强耦合以及欠驱动的特性极大地增加了算法设计与姿态控制的难度。为了减少四旋翼飞行器飞行过程中不必要的干扰因素和事故率,自主设计了四旋翼飞行姿态测试平台。通过对系统进行受力分析和动态建模,采用能够快速稳定的双闭环串级PID控制算法设计了姿态控制器,并使用卡尔曼滤波算法进行姿态估计,然后分别在Matlab环境和平台上验证了飞行姿态的稳定性。实验结果表明了平台设计的合理性和可行性,是一种有效的四旋翼飞行姿态测试平台。     

林火监测飞艇姿态控制系统的设计

采用数字罗盘、角速度陀螺、双单片机、双端口RAM设计的飞艇姿态控制系统,伺服电机(伺服电机轴上装有旋翼)安装在飞艇左右机翼及尾翼上工作,使飞艇在高空中的姿态保持稳定.为红外成像林火监测系统构建稳定的测量平台,从而保证测量值的可靠性。     

基于温度补偿倾角传感器的双轴稳定平台设计

针对高精度舰载光瞄设备隔离扰动及高稳定跟踪精度视轴的要求,研究一种基于反方向运动抵消舰艇摇摆运动的双轴机械稳定平台。采用MEMS传感器实现倾角测量,采用直流电机实现平台稳定。通过实验方法,测出MEMS传感器的温度特性,再采用分段线性插值补偿模式,在-40^+100℃范围内提高传感器的精度。采用无超调控制技术实现直流电机快速响应和平稳运动。利用改变电枢电压的方法,可以实现对电机堵转转矩的控制,从而实现带负载的角度位置控制。实验结果表明,双轴稳定平台的最大角加速度为57°/s^2,稳定平台指向复示精度达到0.1°。     

光电稳像平台扰动力矩估计与自适应补偿

针对飞行器光电稳像平台在强气流冲击下，质量不平衡等系统内在因素所引起的扰动力矩增大，导致系统视轴稳定（LOS）精度严重下降的问题，提出了一种典型两轴直角正交结构稳像平台的扰动力矩模型，此模型考虑了框架间运动耦合的影响.针对扰动力矩信号重构过程中的多传感器噪声影响问题，提出了无迹卡尔曼滤波扰动力矩在线估计方法，并构建力矩前馈控制回路，实现了对扰动力矩的自适应补偿.半实物仿真实验结果表明，扰动力矩估计的收敛速度快，估计过程平稳.在0.5 Hz～4 Hz特征频点的载体扰动下，相比于带有摩擦力矩补偿的扰动观测器控制方法，系统视轴稳定精度提高了10.9%～29.3%.     

OATS: Oxford Aerial Tracking System

Small robot helicopters are becoming a popular research platform due to the availability of off-the-shelf components and their suitability for useful applications. We describe the Oxford Aerial Tracking System (OATS) that we are commissioning, which takes a commercial airframe and low-level flight controller, and adapts these for use in applications requiring the visual tracking of ground targets. This uses a camera on a two-axis gimbal feeding images into an on-board processing system, which communicates summary information to a ground station. So far we have tested the system off the aircraft using laboratory targets and canned image sequences; we have also developed in simulation a variety of high-level algorithms for the platform, including those for target area scanning, geo-localisation, 3-D path planning, and target trajectory prediction; this paper focuses on the hardware, system software, and object tracking sub-systems. Testing on the airframe is now underway.     

Motion-based motion deblurring

Motion blur due to camera motion can significantly degrade the quality of an image. Since the path of the camera motion can be arbitrary, deblurring of motion blurred images is a hard problem. Previous methods to deal with this problem have included blind restoration of motion blurred images, optical correction using stabilized lenses, and special cmos sensors that limit the exposure time in the presence of motion. In this paper, we exploit the fundamental trade off between spatial resolution and temporal resolution to construct a hybrid camera that can measure its own motion during image integration. The acquired motion information is used to compute a point spread function (psf) that represents the path of the camera during integration. This psf is then used to deblur the image. To verify the feasibility of hybrid imaging for motion deblurring, we have implemented a prototype hybrid camera. This prototype system was evaluated in different indoor and outdoor scenes using long exposures and complex camera motion paths. The results show that, with minimal resources, hybrid imaging outperforms previous approaches to the motion blur problem. We conclude with a brief discussion on how our ideas can be extended beyond the case of global camera motion to the case where individual objects in the scene move with different velocities.     

基于面阵CCD的相机自动调焦技术

为满足摄影分辨力的要求 ,在航空相机拍摄过程中 ,镜头位置要随着摄影距离的改变相应调整。线阵CCD交汇测量能准确测定点目标的距离 ,但对于面目标测量难度较大 ,若用面阵CCD替代线阵CCD ,并利用小波变换获取的图像边缘特征 ,自动识别相同点目标在不同CCD面上的成像位置 ,可实现面目标距离精确测量和相机焦距的自动调整。     

UAV navigation based on videosequences captured by the onboard video camera

We propose an approach to navigation for an unmanned aerial vehicle based on finding elements of motion (EM) (linear and angular velocities) by processing the field of local velocities for the motion of an image taken by an onboard video camera. The field of velocities for the image motion, the so-called optical flow (OF), is a linear function of the EM, which allows to use it to find the latter and thus provides an additional way of navigation, which can be rather efficiently used for certain specific problems solved by an UAV in autonomous flight. In this work, we use an algorithm for computing the OF for a given motion of the vehicle (direct problem) and show how to reconstruct the motion of the vehicle by OF observations with methods of statistical estimation (inverse problem).     

On the stabilization of a communication satellite without measuring its angular velocity

The motion control about the center of mass of the communication satellite Yamal-200 is considered. Due to possible failure of the angular velocity sensors, an algorithm for maintaining a prescribed attitude without measuring the angular velocity was developed for this satellite. The algorithm ensures the gyroscopic stabilization of the satellite motion about the local vertical. In the course of control, the onboard computer stores projections of the flywheels?? angular momentum vector on the axes of the inertial basis; the control system tries to preserve the angular momentum magnitude and direction in the inertial space based on the measurements of the angular momentum. The workability of the proposed stabilization algorithm was confirmed by flight tests.     

三维视觉测量系统平台的软件设计及实现

主要阐述了三维视觉测量系统的软件设计及实现,包括4个部分：图像卡的二次开发、电移台运动控制、图像处理、摄像机标定;利用VC＋＋实现了图像卡的二次开发和电移台运动的实时控制;利用MATLAB强大的矩阵运算能力,与VC＋＋相结合,实现了图像处理和摄像机内外参数的标定;通过实验表明,本系统运行正常,为进一步研究三维视觉自标定、不标定理论和实现在线测量提供了一个好的平台。     

基于气象无人机飞行状态的“野值”判定及剔除方法研究

气象无人机探测过程中误差较大的数据统称为野值数据,研究如何判定并能够成功剔除野值就成为了提高气象无人机测风精度的重要方法。首先通过判定并剔除气象无人机飞行状态中的加速度和角速度的野值数据,进而根据有效的加速度和角速度信息确定无人机飞行状态,建立了匀速直线、变速、转动、其它非惯性运动等四种飞行状态下的野值评判标准,并设定了相应的阈值,给出了基于不同飞行状态的野值判定、剔除方法,通过仿真分析结果表明,该方法明显剔除了误差较大的数据,成功降低由于测量总压波动所引起的风速误差,对提高气象无人机测风精度具有重要参考价值。     

全景式航空相机的离散滑模控制

为了提高全景式航空相机镜筒速度控制系统的动态特性,使其具有响应速度快且超调小的特点,本文提出一种基于降维状态观测器的离散滑模控制方法,对镜筒角速度、角加速度进行观测,并对其速度系统进行控制.针对高氏趋近律带来的控制抖振和稳态抖振问题,本文采用幂次函数趋近律的方法,并对这种方法进行了无抖振理论分析以及稳定性证明.最后以某全景式航空相机作为实验平台,将基于幂次函数趋近律的离散滑模控制应用到镜筒速度控制系统中.实验结果表明,本文提出的控制方法能够有效地减小系统的抖振,使镜筒速度控制系统表现出良好的动态品质.