四旋翼飞行机器人室外导航避障系统设计.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流四旋翼飞行机器人室外导航避障系统设计密 级:毕业设计(论文)四旋翼飞行机器人室外导航避障系统设计DESIGN OF FOUR ROTOR FLYING ROBOT OUTDOOR NAVAGATION AND OBSTANKLE AVOIDANCE SYSTEM学生姓名班 级学院名称专业名称指导教师.精品文档.图书分类号:学位论文原创性声明本人郑重声明: 所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个
2、人和集体,均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定,即:本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝,允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容,可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名: 导师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日摘要四旋翼飞行机器人也称四旋翼飞行器,有4个呈十字形
3、交叉分布的螺旋桨。四旋翼飞行器属于多旋翼飞行器的一种,也是一种智能机器人。相比较固定翼飞行器而言,四旋翼飞行器具有结构简单,控制灵活等优点。可以实现垂直起降、定点悬停等功能,因而可以完成更加复杂的飞行任务。随着传感器技术和控制理论的不断发展,尤其是微电子和微机械技术的逐步成熟,使四轴飞行器的自主飞行控制得以实现,并成为国际上的研究热点。本文主要研究四旋翼飞行器的室外导航与避障问题,在导航方面,采用GPS导航与惯性导航相结合的方法,采用超声波作为避障传感器,设计出一种无人飞行器自主航路规划方法,不仅确保了全局航路的最优性,而且保证局部航路实时规避障碍物,使无人飞行器能更好地适应环境的变化。关键词
4、 四旋翼飞行器;GPS;惯性导航;超声波AbstractFour rotor also say four rotor aircraft flying robot, there are four is crossed the distribution of the propeller.More than four rotor aircraft belonging to a rotor aircraft, is also a kind of intelligent robots.Compared with fixed wing aircraft, four rotor aircraft with
5、simple structure, flexible control, etc.Can implement vertical take-off and landing, the function such as fixed-point hover, thus can complete more complicated mission.With the continuous development of sensor technology and control theory, especially the microelectronics and micro mechanical techno
6、logy mature gradually, make four shaft can realize autonomous flight control of aircraft, and as the international research hot spot. This paper mainly studies four rotor aircraft outdoor navigation and obstacle avoidance problem, in terms of navigation, adopt the method of combining the GPS navigat
7、ion and inertial navigation, as obstacle avoidance of ultrasonic sensor, design a kind of unmanned aerial vehicles autonomously route planning method, not only ensure the optimality of the global route, local route and guarantee real-time avoiding obstacles, unmanned aerial vehicles can better adapt
8、 to changes in the environment.Keywords robot;GPS;navigation;ultrasonic目 录摘要Abstract目 录1 绪论11.1 引言11.2 研究意义11.3 研究现状11.3.1 发展历史11.3.2 发展现状32 四旋翼飞行器的飞行原理82.1 硬件构成82.1.1 机架82.1.2 电池92.1.3 飞控92.1.4 电机112.1.5 电调122.2 控制原理122.2.1 姿态控制122.2.2 PID控制原理133 传感器选择163.1 导航传感器163.1.1 GPS模块163.1.2 惯性导航模块193.2 避障传
9、感器203.2.1 超声波模块204 导航避障系统设计224.1系统设计思想224.2 ROS简介224.2.1 特点224.2.2 运行原理244.3 避障导航系统设计254.3.1 建立模型254.3.2 系统设计26结论28致谢29参考文献301 绪论1.1 引言2013年以来,对于四旋翼飞行器的研究引起了人们极大的关注,多旋翼飞行器的飞行控制已不再是特别高深的学术问题,大部分具有电子、控制等相关专业背景的人都可以掌握。对于一些科研人员来说,单个飞行器的飞行控制已经不能引起他们的兴趣,他们已经将研究重点放到了智能导航和多个飞行器的编队飞行上。按照有无人工干预,四旋翼飞行器的飞行有两种模式
10、,即遥控飞行和自主飞行。遥控飞行靠人大操作技巧与经验,而自主飞行则要依靠控制器的运算速度、传感器的经度以及程序的可靠性等。本设计选用技术已经很成熟的GPS和超声波分别设计导航与避障系统,并将ROS(机器人操作系统)引入四旋翼飞行器,为其自主飞行提供可靠保障。1.2 研究意义目前,四旋翼飞行器已经不再只是存在于实验室的高深民事用途上的四旋翼飞行器主要工作在低空领域,该领域充斥着房屋、树木等障碍物,环境复杂,对飞行确定自主飞行是一个很大的挑战。为了使四旋翼飞行器能够轻松地在环境复杂多变的室外飞行,躲避障碍物,就要重点研究如何让飞行器可以自动检测它所处的空间位置并且分析所处的空间环境,绕开其它物体,
11、规划出合理的飞行路径。四旋翼飞行器飞行系统的关键性能指标是能否实现智能化自动避障功能1,在规划好的路径上,经常存在着各种个样的障碍物,如何自动避开这些障碍物,是四旋翼飞行器研究的难点之一。但是,那些工作在室外特别是低空领域中飞行的四旋翼飞行器,因为该领域冲出着大量的房屋、树木等障碍物,环境复杂,存在着很大的安全隐患。所以,如何实现飞行器快速有效地躲避障碍物,实现精确导航,具有十分重要的现实意义。1.3 研究现状1.3.1 发展历史四旋翼飞行器最早出现于上世纪初,在此后的几十年里,人们做出了大量的尝试。1907年,在Richet 教授的指导下,Breguet兄弟Louis 和Jacque制造了第
12、一架旋翼式飞行器。该四旋翼飞行器的得机架由钢管焊接而成,呈“十”字形,四个旋翼位于端点上,其四个旋翼旋转方向不同并且相对的两个旋翼旋转方向相同。该飞行器最终测试时距离地面达到1.5米,但持续的时间不是很长。由于当时控制技术还很落后,所以这次飞行效果很差。图1-1 Breguet-Richet四旋翼飞行器1922 年,George De Bothezat 在美国俄亥俄州的空军部建造了一架大型的四旋翼直升机,如图1.2 所示。该飞行器只有一个发动机,同时驱动4个旋翼。可以实现升降控制与方向控制。由于飞行效果不佳,造价昂贵,以及当时的人们对旋翼飞行器的关注程度,美国军方决定不再投资研究。图1-2 D
13、e Bothezat四旋翼飞行器1956 年,Convertawings 公司在纽约的Amitycille 制造了一架四旋翼直升机,如图1.3 所示。该飞行器的体积较大,旋翼直径将近6m。与以往设计不同的是,该飞行器中使用两台发动机驱动,而且控制方法与当前控制方法类似,即调节每个螺旋桨的转速来保证飞行器平稳飞行。遗憾的是,即使Convertawings四旋翼飞行器的表现效果很好,依然没能引起人们太大的关注,对其研究也即终止。图1-3 Convertawings四旋翼飞行器虽然相比较固定翼飞行器,四旋翼飞行器具有机械结构与飞行原理简单的优点,但受当时技术条件的限制,对四旋翼飞行器的研究并没有取得
14、多大进展。最近十几年,微机电系统(MEMS)、传感器、控制理论等相关技术获得极大的进步,这些都促进了四旋翼飞行器技术的发展。到2005年左右,真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。在一些发达国家,更多的人选择研究多旋翼飞行器,而不再是研究直升机式飞行器。来自宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授于2012年2月在TED上做了一场关于四旋翼飞行器的演讲,这次演讲引起了巨大的反响,可以称得上四旋翼飞行器发展史上的一座里程碑。自此之后,四旋翼飞行器受到的关注度迅速提升,成为了新的商业焦点。1.3.2 发展现状最近几年,人们普遍对研究四旋翼飞行器产生了很大的兴趣,其应有也更加多样。世界主要国
15、家在发展军用飞行器的同时, 也在着力发展民用飞行器, 不断研制小型化、微型化的飞行器。随着嵌入式处理器、微传感器技术、控制理论的发展, 微机电系统技术在个方面得到普遍应用, 很多国家都开始研制四旋翼飞行器2。美国的MIT,德国的AscendingTechnology等是具有代表性的科研团队。还有一些民用企业,将四旋翼飞行器作为产品来开发,比如MicroDrones,Dragonfly,Micropterous等。四旋翼飞行器属于一种机电一体化产品,国内外很多著名的科研机构都开展了一些项目来研究四旋翼飞行器, 许多研究机构在开发能够在不是很复杂得环境中自主飞行的四旋翼无人机方面取得了成功, 但是
16、发展能够在很复杂的环境中全自主飞行的飞行器,仍然是个很大的挑战。下面, 将从3个方面对国内外微小型四旋翼无人机研究进展进行描述。图1-4 瑞士洛桑联邦科技学院OS4(1)早期探索阶段从上世纪初四旋翼飞行器最初被制造出来以后,一直到上世纪中叶,四旋翼飞行器一直处在探索阶段,这一时期,主要是西方的一些国家在进行研究。比较著名的有瑞士的OS4飞行器与加拿大的X-4 Flyer Mark II。OS4由瑞士的一家大学负责研究。OS4四旋翼飞行器如图1-4,具备在简单环境中无人干预飞行能力。OS4最初用于研究全自动飞行器, 这个项目的任务是要研究并制造出一个飞行器系统,用于实现四旋翼飞行器的无人工干预飞
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- 四旋翼 飞行 机器人 室外 导航 系统 设计
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