基于视觉的四旋翼小型直升机的控制

序言 近年来，随着小型直升机技术的不断发展，如何对其进行自主控制受到越来越多科研人员的关注。其中，基于视觉的控制方法由于具有精度高、稳定性好等特点，更是得到国内外众多研究者的广泛青睐。本次毕业设计以四旋翼小型直升机为研究对象，围绕基于视觉的控制问题，重点研究基于视觉的四旋翼小型直升机系统的设计和实现等诸问题。 四旋翼直升机（Quadrotor），是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，分两组，两组的旋转方向不同。与传统的直升机不同，四旋翼直升机只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作。视觉系统是该类直升机的“眼睛”，通过对目标图像的提取分析，空中机器人可以识别目标，测算目标的位置，判断目标的移动方向和速度，还可以躲避障碍物。无论是作为单机飞行还是多机组队，在包括侦察，搜索和救援，以及移动无线传感器网络中都有广泛的应用。 1.2国内外研究现状 宾夕法尼亚大学GRASP(General Robotics，Automation，Sensing and Perception)实验室一直着力于研究通过视觉定位算法，使四旋翼飞行器在一个摄像头全方位覆盖的区域中实现精确动作的目标。早在几年前，GRASP实验室就通过高速摄像头对四旋翼飞行器的精确定位达到让飞行器自主悬停、避障、空中翻跟头的目标。 “Mesicopter”是斯坦福大学研究小组在国家航空航天局(NASA)的支持下，为研究微型旋翼飞行器技术而设计的。“Mesicopter”是一种厘米尺寸大小的微型直升机，它有四个螺旋桨，分别由直径3毫米，重325毫克的微电机驱动，是当今国外最有代表性的小型化四旋翼飞行器。 在自主飞行领域涉足的最早、研究的最深刻的是MIT(麻省理工学院)航空学院Dr.Jonathan P.How领导的研究小组。他们所使用的实验飞机是在Draganflyer V TI的基础上改装而成，研究的重点是基于视觉的多个UAV协同飞行或跟踪并协同其他有人的和无人的车辆或飞机。 虽然四旋翼直升机在国外进行了广泛的研究，但是国内还处于起步阶段。国防科技大学于2004年展开了四旋翼无人直升机的相关技术的自主研究，白行设计、制作的实物模型总重量约7509，最大长度约70cm(翼尖到翼尖)，已经实现依靠自身旋翼自主飞行。 南京航空航天大学也自行开发了一套基于DSPF2812的四旋翼无人飞行器，在抗扰动方面做得很出色。 1.3 Matlab/Simulink 简介 计算机仿真是进行现代化科学研究的重要手段之一，其中在机械仿真控制，计算机辅助分析和设计方法已成为一种经济的、有效的设计方法。 计算机仿真可以建立一个模拟的实验环境，构造出复杂并且精确的电路模型。通过仿真，对其进行各方面性能的检验，而不需要冒着损坏器件的风险，降低了开发的成本。 目前，MATLAB及其SIMULINK可视化仿真平台在控制系统中应用非常广泛，SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模，仿真和分析的软件包，它支持连续，离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有模块化、可封装、结构图编程以及高度可视化等特性，使仿真建模大大简化使用MATLAB软件进行电力系统数字仿真，具有三个突出的优势： MATLAB采用SCOPE模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里事后处理。 由于MATLAB和SIMULINK是集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。 本次毕业设计以四旋翼小型直升机为研究对象，主要通过对四旋翼直升机控制系统的研究，基于了无人四旋翼直升机系统的特性，通过改进算法最终实现基于视觉的四旋翼的位置和姿态的控制。 1.4小结 本章节主要是了解四旋翼直升机的发展历史及分类，说明了MATLAB SIMULINK对于机械仿真建模的便利性。 目录第一章 绪论??? 31.1序言??? 31.2国内外研究现状??? 31.3 Matlab/Simulink 简介??? 41.4小结??? 4第二章 四旋翼分析??? 42.1四旋翼控制介绍??? 42.2四旋翼实际控制模型??? 52.2.1状态方程的建立??? 52.2.2观测方程的建立??? 52.2.3姿态动力学模型??? 62.2.4航向动力学模型??? 62.2.5俯仰和滚转动力学系统??? 72.3四旋翼飞行模态转换图解??? 82.4小结??? 9第三章 V-Realm Builder四旋翼??? 93.1Matlab虚拟现实??? 93.2Matlab虚拟现实技术??? 93.3四旋翼Simulink速度PID控制仿真??? 103.4小结??? 13第四章图像处理??? 144.1图像处理平台??? 144.2图像处理主要内容??? 144.3图像处理算法流程??? 154.4图像二值化处理??? 154.5小结??? 17第五章??? 175.1飞行路径虚拟构建??? 175.2基于视角的四旋翼控制??? 185.3小结??? 20参考文献??? 20致谢??? 21