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陲蚕甭嘲兰要嚣掣薏主曼兰:箸銎‘喜篇篇基于乃男砦奕嘶郊8倏刂葡低强伟—,,两安近年来无人机的应用越来越广泛,因其独特的体积小、隐蔽性强、飞行稳定等优点,在军事及民用领域都发挥着极其重要的作用,尤其在抢险救灾及影视行业巾都扮演了十分重要的角色。四旋翼无人机系统不同于普通无人机,采用非线性系统,另凶其特殊的驱动也对无人机的航迹跟踪控制带来了困难口一⋯。无人机的飞行环境复杂,这些问题都对四旋翼无人机的控制提出了很高的要求,控制系统会直接影响四旋翼无人机的飞行状态和任务执行的优势性。为了更好的实现四旋翼无人机的航迹跟踪和控制,本文基于郊9婊法和航迹跟踪算法对硬件和软件部分进行设计,通过数据通讯实现地面控制与空巾飞行控制的数据交换,提出了一种基于刂频乃男砦奕嘶倏刂葡低常⑼ü验验证了该控制系统的有效性。根据四旋翼无人机的飞行荷载有限的特点,通过空和地面两个部分实现控制系统的设计,结构如图尽根据图芍#莶煌娜挝裥枨螅奕嘶郊8踪控制系统分为霾糠郑嚎罩蟹尚凶灾骺刂颇?椤⒌孛摘要:目前研究的四旋翼无人机航迹跟踪控制系统跟踪过程不稳定,导致跟踪结果不准确;为此基于杓屏艘恢中碌四旋翼兀人机航迹跟踪控制系统。通过空中飞行控制器、地而控制器和人工十预器实现了兀人机航线的跟踪控制;空中飞行控制器包括导航定位模块、姿态评估模块⒎尚锌刂葡低臣扑慊允灸?榈龋坏孛婵刂破魈讲庵芪Х尚谢肪常姹苷碍物、规划安全航线,传输至空中自主飞行控制系统,包括无线通讯的数据连接电路和地面终端控制模块;人稍つ?槟芏苑行过程巾发生的意外情况进行人丁干预以避免突发情况造成危险;以为开发环境,利用砑柚砑鞒蹋焕啾淞靠刂撇呗裕宰钣哦旒N?刂颇勘辏袢∥奕嘶氖凳狈尚凶纯觯瓒ê较吖婊鞒蹋敌泻较叨婊皇验结果表明,所设计的兀人机航迹跟踪控制系统稳定性较好,跟踪控制结果与预期的跟踪控制曲线重合度更高,平均误差控制在关键词:模型预测控制;四旋翼无人机;航迹跟踪;跟踪控制;控制系统,修回日期:一一。陕两省教育厅专项科学研究项目。,男,陕西蓝田人,硕士,副教授,主要从事工业设计、服务设计方向的研究。冯强,⒌耐砦奕嘶郊8倏刂葡低砙’『扑慊饬坑肟刂疲:文章编号:一一一簂//中图分类号:,文献标识码:以内。..,琗痑琭趎:收稿日期基金项目作者简介引用格式冯强投稿网址:甁甤.。。。.琗痑,甔痑薳,:‘—,..,,琣,琣,痑口甌甎,.;;;籧一—;畁
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\\心∥匾一一夕弋■~瞎蘬::::::::::::亘:::::::::::::::粮善舭傧慕嬲虹灰灰航迹规划系统、紧急情况下的人稍つ?椋罩锌刂破主要负责稳态飞行和航迹跟踪控制,地面控制器主要负责飞行的动态航线规划,并通过无线通信技术将两部分结果进行数据连接,该控制系统中,地面控制决定了无人机的航迹规划,要求系统能够对周围环境进行甄别并有效规避障碍物。⋯。空中控制则要求能够准确执行地面控制系统所规划的航线。四旋翼无人机平台主要硬件包括:飞行器、电机、螺旋桨。为避免在调试过程中凶摔机造成机架损坏,选用主体采模块化设计、便于拆卸和更换的堋NA艘W大限度的提升无人机的系统性能,要合理搭配电机和螺旋桨,电机在选择上主要考虑无人机的最大飞行荷载,电机自重应小于电机最大动力的。螺旋桨的选择主要考虑电机的电压值,一般电压值较大时优先选择小型螺旋桨;当电压值较小时,优先选用大型螺旋桨。本文设计使用钆銩螺旋桨。。飞行控制器设计飞行控制器的主控计算机是整个系统的核心,要负责传感器数据的采集与分析、自主飞行控制算法的计算、输出指令和其他模块问无线数据传输,凶此,主控计算机应具有强大的计算能力,多个通信接口,较低的功耗,合适的重量和体积。因此本文采用法国公司盗出片主板,如图尽该主板的芯片内核处理器为—,辅以运算单元饕F德饰骸。根据图芍#眯片连接湄涌冢缭唇涌诩暗魇越涌冢V盗行酒靼宓奈榷ㄔ诵校ü?厥萁涌谑现飞控数据的接收机传输;通过导航数据接口及无线数据接口实现飞控数据的处理,通过姿态数据接口实现无人机姿态控制数据的传输,并在芯片连接的液晶显示屏上展示。导航控制器设计导航控制器主流的ㄎ幌低尘ǘ炔还唬嬖诤艽的误差,无法满足四旋翼无人机的导航要求,所以本文基于借助籔ㄎ患际酰捎肕质礁叨计来实现导航定位。本文设计的导航控制器如图尽图5己娇刂破鹘峁雇迹邮栈邮账男砦奕嘶航迹数据,通过数字气压计及主控板实现外界大气压力,温度,湿度和海拔高度的测量,通过ㄎ患术实现导航定位。姿态指引仪包括陀螺仪、加速度计和磁力计。加速度计的主要功能是通过测量重力加速度口””来校正陀螺仪的俯仰和横滚角,输出峒铀俣群徒撬俣龋缓蠼浞蠢到控制系统作为对照参考。磁力计用于测量地磁场的漂移以校正偏航角口⋯。本位采用颂慰枷低成杓谱颂引仪,参考仪内部分别集成三轴加速度计、轴磁力计、角速率陀螺和温度传感器。采用卡尔曼滤波算法得到姿态估计参数,分辨率为,数据更新频率为,俯仰角输出范围为±。,角速度输嵌取。,通信波特率数据通信器为地面控制系统和空中控制系统问的数据交换纽带,本文采用镜模块,通信距离最远可大,采用拇薪涌冢线接口采用踩肟垢扇偶际酰苊馕尴叩绺扇牛灵敏度琓作频率为荽砹课地面控制模块的主要任务是规划航线,本文设计采用高配置终端计算机。当无人机发生突发意外情况时,可以计算机测量与控制第卷荩干⒌男木猜段轣机航谛跟踪梓制系缔佰件结构四旋翼无人机平台设计池,电压为盗行酒靼图己娇刂破姿态指引仪数据通信器人工干预器!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!猨涑鼋涌电源接口调试接口液晶显示屏骺匦酒遥控数据接口导航数据接口无线数据接口姿态数据接口图。投稿网址:甁甤俐·
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基于乃男砦奕嘶郊8倏刂葡低橙件设计笛榻峁敕治切换到人?啬J剑薚干预主要通过遥控器和邮掌魇迪郑現?仄骱徒邮器采用传输协议,该防议遵循串口数据流传输模式的基本数据流协议,以钠德识允莸ピ=蟹⑺汀根据协议的数据单元进行有效传输,每次有效传输的数据包括个字节,且以低速高速交替形式进行周期性传遥控器每个指令占用位的空间传输空间,总共包含了通道的控制指令。本文软件本设计系统巾,地面控制巾心的航线规划系统是基于。系统的计算机开发的,自主航线跟踪控制系统是基于⒋砥鹘新慊7ⅰL峁┝送善的镅裕珻语言库函数进行应用层软件的开发和调试,极大地降低了程序的开发难度。航迹跟踪控制中心采用基于芯片穆慊⒎ⅲ薏僮飨低常集成开发环境下进行裸机开发,在该环境下公司开发了不同类型芯片的操作库文件,这样极大地降低了应用程序丌发的难度且恢纸坠炭刂品椒ǎ馐且恢侄啾淞靠刂策略,以最优动态轨迹为控制目标,设定航线规划软件流观察图芍#捎每占渲实隳P屠词迪址尚锌刂葡统的航线规划,根据三维方向上的速度变化率得出其动态性能约束。通过网络云端数据获取障碍物数据信息,建立航线规划系统环境模型,利用鼠标在地图上标记目标地点,从地而网站获取目标地点位置,规划到系统目录下生成文本文档。在规划航线时,通过读取地面共享信息得出具体障碍物数据信息,对障碍物空间进行规划,利用无线数据传输获取无人机的实时飞行状况,实行航线动态规划”’。对航线规划问题建模,采用刂品椒ǎ訟标准模型语言对多目标优化问题捕述,然后调用件对目标函数求解,同时忽略滚动时域,把第一个点作为飞行目标点,求卅鍪庇虻淖钣沤夂较撸咛辶鞒倘缤接口数据接收程序接收的数据主要有:颂低数据、鳶导航系统数据、无线链路数据、遥控器控制数据。其中荩珿数据和无线链路数据是通过硬件接口开进行数据交互的,遥控数据为配套的特殊通信协议,通过接口改进,可以转换为一般的通信协议。在数据传输中,颂莺鸵?仄魇莞袷酱筇相同。每次传输的数据包中包含一前端数字,鲎纸诘传输数据集和末端的数据验证。高度计采集板上的导航定位信息是处理过的,可以实现输出数据的格式调节,因此所有的数据接收程序都接口中断用于触发萁邮眨酝瓿芍卸闲问健5被撼迩中有要访问的数据时,触发邮眨觳獾绞莅前端数位后,关闭萁邮胀ǖ溃シ直接接收鲎纸诘氖荩珼接收完成触发中断打开萁邮胀ǖ馈А薄啊啊通信数据链设计采,?椋悸堑轿人机的飞行环境复杂多变,所以该通信模块设计为拓扑结构,地面随时掌握飞机的状态信息,包括经纬位置,速度和飞行姿态等等。地面控制站能够将规划航线控制指令上传到无人机,莞萁邮艿闹噶钚畔⒆鞒龇应,实现和问的数据交互,无人机根据指令执行飞行航线。考虑到信息传输过程中会出王见数据错误和丢失的情况,在通行模式中设置和的应答机制,准确可靠地实现地面站与空中多飞行器的数据问通信。为了验证本文提出的基于乃男砦奕嘶郊8踪控制系统的有效性,设计对比实验,选用本文提出的跟踪控制系统与传统的基于云台相机的四旋翼无人机航迹跟踪控制系统,基于数据挖掘的的四旋翼无人机航迹跟踪控第冯强,等:摹丁旱乃男砦奕嘶郊8倏刂葡低输。程如图尽图较吖婊砑鞒尽图钣沤夂较吡鞒投稿网址:甁甤·
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卜引跏瑚㈣技虾息鑟跏瑚㈣耋炬┘息鑟结束语制系统进行实验对比。设计实验参数如表尽根据上述实验参数,选用本文基于旱耐砦奕机航迹跟踪控制系统和基于云台相机的四旋翼无人机航迹跟踪控制系统、基于数据挖掘的四旋翼无人机航迹跟踪控制系统进行实验。预计的跟踪控制结果如图尽利下式求解不同无人机航迹跟踪控制系统的跟踪式中,K男砦奕嘶郊8僮辏琗、分别为横纵坐标及垂直坐标的预计位移值,通过上式求解航迹跟踪控制结果。基于云台相机的四旋翼无人机航迹跟踪控制系统得到的跟踪控制结果如图尽基于数据挖掘的四旋翼无人机航迹跟踪控制系统得到本文提出的基于乃男砦奕嘶郊8倏刂葡统得到的跟踪控制结果如图尽根据上述实验结果可知,本文基于乃男砦奕机航迹跟踪控制系统得到的跟踪控制结果与预期的跟踪控制曲线重合度更高,平均误差控制在的控制系统具有颜色特征识别功能,,对于无人机旋转角度有很好的跟踪能力,视线范围之内始终跟着跟踪目标。综上所述,基于乃男砦奕嘶郊8倏刂葡统具有很好的控制能力,可以在地面和空中实现对无人机精确稳定的跟踪控制。本文根据综合控制系统的需求山发,设计了四旋翼无人机航线跟踪控制的硬件平台,然后基于郊9婊法和航迹跟踪算法对软件部分进行设计,最后通过数据通讯模块实现了无人机和地面控制系统间的数据通信,完成整个基于乃男砗较吒倏刂葡低场1疚乃淙换攵晕奕嘶郊8俸涂刂铺嶝α讼低车姆椒ǎɑ存在很大的改善空间,特别是对于姿态控制的分析中,弱计算机测量与控制第卷表笛椴问参数尢人机总质量/奴沿着较虻淖6吡浚/图ぜ频母倏刂魄结果:,一~一~图谠铺ㄏ嗷乃男碡H嘶郊8倏刂平峁慕于数据挖掘的网旋翼无人机航迹跟踪控制结果基于乃男砦奕嘶郊8倏刂系统得到的跟踪控制结果以内。本文提出项目簗作电压//ā弧唬⒁唬,,~ā玶...一~...图投稿网址:甁甤Ⅱ.目玁·
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化了各通道问的耦合,姿态动力学模型简化为线性化小扰动模型。在实际情况中,小型四旋翼无人机的飞行路径控制效果尚不理想。所以对航迹的控制研究将是今后的工作重点,对于小型旋翼飞行器来说能够自主避障的控制系统是未来发展的必然趋势,希望在未来的研究中能更好的实现对四旋翼无人机的航迹跟踪和控制。了分布式仿真平台与组态监控平台的数据接口,建立了主起落架收放系统组态监控原理图,充分利用莘址服务的实时性、高效性以及组态监控平台良好的图形界面,大幅缩短监控界面设计周期,实现对仿真平台上由不同专业仿真软件建立的个飞机机电系统子模型中瞿型端口变量的组态化显示与运行控制,直观显示各个系统模型的状态变化,改变了以往只能在指定仿真节点的仿真软件中以单一方式进行参数查看与调整,有利于用户更好的理解飞机机电系统、调配系统性能参数、优化系统集成与扩展等,提高了飞机机电系统的集成测试效率与操作便捷性。第冯强,等:基于乃男砦奕嘶郊8倏刂葡低跸#闲阍疲畲瘢贛奈奕嘶郊8倏刂破设计低彻こ逃氲缱蛹际酰:彪,唐超颖,,,醮貉簦C魅穑泛煳埃砦奕嘶旒8倏刂葡低成计绻庥肟刂疲煲幻笑,杨凯凯,:J李冢眨畹希龋诨址床椒ǖ耐砘轨迹跟踪算法低骋籟程与电子技术,,勇,陈增强,张兴会,:剖娣牛踔臼ぃ哦妫诠饬鞫ㄎ坏乃男矸尚衅骷际研究涤氲缱樱:—,.嘈⊙啵锵芾ぃ苡窠啵龋诟慕鳤旱耐砦奕机抗干扰姿态控制系统设计绻庥肟刂疲丈倏。ξ奶危钕桑谧楹匣5纳κ芟匏男砉迹跟踪刂乒こ蹋,:—.张建中,刘海洋,胡化增,,李峰,吉月辉,:—罗鼎馨,蒋近,⑻氐缁:—.张文清,徐雪松,:蛞千术波,韩宁,陈建,,董文瀚,贺磊,:—.石喜玲,孙运强,李静,’.科学技术与撼蹋:王东,范叶满,薛金儒,┮祷笛Пǎ:陶少俊,薛文涛,⒃疲龋诜缛殴鄄獾乃男砦奕嘶双幂次滑模控制尚辛ρВ::—.,⒉级┰幕频氖凳敝屑浼歌,,,爬龌液癖螅天郴#龋诟丛硬问淖樘允炯嗫系统扑慊饬坑肟刂疲Ⅱ跹Ф啵苟ɡ矗峰,:一劬跹┟罚挛饷鳎樘砑诘嫉饪叵低持械母研究⒓扑慊畔ⅲ—钫疾牛墒踊樘砑杓萍捌湓谛滦椭呖突械某捎饪丶际酰:—,郝明哲,:】琄琒瓵鹕业谑匾第旱蛩诤业业媸匾蛰筅阂礵竭守业诤蛰业业谑匾第旱蛩诤业业诤蛰守蛩守业孚阂礵竭守业诤蛰业肥匾第赫蛩蛩诤业业诤蛰守蛩守业守弗守业投稿网址:甁甤—.:.—.—一瓵,,ⅡⅡ簂一.—.一.,.瑂甊篈—,一·