無人駕駛旋翼飛行器系統(tǒng)

內(nèi)容概要

　　《無人駕駛旋翼飛行器系統(tǒng)》旨在探索全功能小型無人旋翼飛行器的研究與開發(fā)，這類無人系統(tǒng)一般由一架裝配必備機(jī)載配件的小型旋翼飛行器和一臺(tái)地面站組成，是通信、計(jì)算和控制領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的綜合體，也是測試與實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制技術(shù)極好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然而，其開發(fā)過程也是極具有挑戰(zhàn)性。小型旋翼飛行器，如航模直升機(jī)，其飛行動(dòng)力學(xué)特性與同類大型飛行器相似，但卻擁有其自身獨(dú)有的特性，如裝配穩(wěn)定桿、旋翼剛性大和內(nèi)嵌偏航角速率反饋控制等。除此之外，有限的載荷量也增加了從小型旋翼飛行器升級成全功能無人飛行器的難度。根據(jù)其各種特性與限制，我們需要精心設(shè)計(jì)一套重量輕且有效的機(jī)載系統(tǒng)，配備相應(yīng)的機(jī)載與地面站軟件，以滿足系統(tǒng)辨識(shí)和自動(dòng)飛行的需求。《無人駕駛旋翼飛行器系統(tǒng)》將詳細(xì)討論這些問題。本專著還突出強(qiáng)調(diào)了基于視覺的地面目標(biāo)跟蹤、協(xié)同控制和多機(jī)編隊(duì)飛行等技術(shù)的研究?！　　稛o人駕駛旋翼飛行器系統(tǒng)》面向的讀者包括旋翼飛行器工業(yè)領(lǐng)域的工程師和無人航空器系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的研究人員，需要的背景知識(shí)包括空氣動(dòng)力學(xué)、控制工程、電氣工程和機(jī)械工程領(lǐng)域的一些大學(xué)高年級或研究生一年級水平的課程。

書籍目錄

第1章緒論 1.1引言 1.2小型旋翼飛行器簡史。 1.3基本組成 1.3.1無線電操控旋翼飛行器 l.3.2航空電子系統(tǒng) 1.3.3手動(dòng)操作備份 1.3.4地面控制站 1.4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成 1.4.1實(shí)時(shí)機(jī)載軟件系統(tǒng)” 1.4.2地面站軟件系統(tǒng) 1.5飛行動(dòng)力學(xué)建模 1.5.1基理建模方法 1.5.2系統(tǒng)與參數(shù)辨識(shí) l.6飛行控制系統(tǒng) 1.7應(yīng)用舉例 1.8各章總覽 第2章 坐標(biāo)系統(tǒng)與變換 2.1 引言 2.2 坐標(biāo)系統(tǒng) 2.2.1 大地坐標(biāo)系統(tǒng) 2.2.2 地心固定坐標(biāo)系統(tǒng) 2.2.3 本地NED坐標(biāo)系統(tǒng)  2.2.4 機(jī)載NED坐標(biāo)系統(tǒng)  2.2.5 機(jī)體軸坐標(biāo)系統(tǒng) 2.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 2.3.1 基本知識(shí) 2.3.2 坐標(biāo)變換 第3章 平臺(tái)設(shè)計(jì)與構(gòu)建 3.1 引言 3.2 虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境的選擇 3.3 部件的選擇 3.3.1 無線電操控直升機(jī) 3.3.2 飛行控制計(jì)算機(jī) 3.3.3 導(dǎo)航傳感器 3.3.4 外圍傳感器 3.3.5 失效保護(hù)舵機(jī)控制器 3.3.6 無線調(diào)制解調(diào)器 3.3.7 電池 3.3.8 視覺信息處理計(jì)算機(jī) 3.3.9 視覺傳感器 3.3.10 圖像采集卡 3.3.11 云臺(tái)伺服機(jī)構(gòu) 3.3.12 視頻發(fā)射與接收 3.3.13 手動(dòng)控制 3.3.14 地面控制站 3.4 航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成 3.4.1 布局設(shè)計(jì) 3.4.2 減振設(shè)計(jì) 3.4.3 供電設(shè)計(jì) 3.4.4 屏蔽設(shè)計(jì) 3.5 性能評估 第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成 4.1 引言 4.2 機(jī)載軟件系統(tǒng) 4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.2.2 任務(wù)管理 4.2.3 自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn) 4.2.4 應(yīng)急處理 4.2.5 視覺處理軟件 4.3 地面站軟件系統(tǒng) 4.3.1 地面站軟件層次結(jié)構(gòu) 4.3.2 三維視圖開發(fā) 4.4 軟件系統(tǒng)評估 第5章 測量信號(hào)增強(qiáng) 5.1 引言 5.2 擴(kuò)展卡爾曼濾波器 5.3 GPS輔助INS動(dòng)態(tài)模型 5.3.1 航姿參考系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型 5.3.2 INS（或慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型）  5.4 擴(kuò)展卡爾曼濾波器設(shè)計(jì) 5.4.1 基于加速度計(jì)的航姿參考系統(tǒng)擴(kuò)展卡爾曼濾波器 5.4.2 基于磁力計(jì)的航姿參考系統(tǒng)擴(kuò)展卡爾曼濾波器 5.4.3 GPS／INS導(dǎo)航系統(tǒng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器 5.5 性能評估 第6章 飛行動(dòng)力學(xué)建模 6.1 引言 6.2 模型結(jié)構(gòu) 6.2.1 機(jī)體運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 6.2.2 機(jī)體動(dòng)力學(xué)特性 6.2.3 主旋翼揮舞動(dòng)力學(xué)特性 6.2.4 偏航角速率反饋控制器 6.3 參數(shù)確定 6.3.1 直接測量 6.3.2 地面實(shí)驗(yàn) 6.3.3 基于風(fēng)洞數(shù)據(jù)估計(jì)參數(shù) 6.3.4 飛行實(shí)驗(yàn) 6.3.5 精細(xì)調(diào)整 6.4 模型驗(yàn)證 6.5 飛行包線確認(rèn) 第7章 內(nèi)環(huán)飛行控制 7.1 引言 7.2 H∞控制技術(shù)  7.3 內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7.3.1 模型線性化 7.3.2 問題的描述 7.3.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)的選擇 7.3.4 H∞控制律 7.4 性能評估 第8章 外環(huán)飛行控制 8.1 引言 8.2 魯棒與完全跟蹤控制 8.3 外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8.4 性能評估 第9章 飛行仿真與實(shí)驗(yàn) 9.1 引言 9.2 飛行規(guī)劃 9.2.1 前飛起／停 9.2.2 懸停 9.2.3 后飛起／停 9.2.4 懸停旋轉(zhuǎn) 9.2.5 垂向機(jī)動(dòng) 9.2.6 側(cè)向重定位 9.2.7 旋轉(zhuǎn)定標(biāo) 9.2.8 滑雪 9.2.9 向心回轉(zhuǎn) 9.2.10 任務(wù)基元的銜接 9.3 硬件在回路仿真設(shè)置 9.4 仿真與飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果 第10章 多無人機(jī)編隊(duì)飛行 10.1 引言 10.2 長機(jī)一僚機(jī)編隊(duì) 10.2.1 編隊(duì)飛行坐標(biāo)系統(tǒng) 10.2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 10.3 碰撞回避 10.4 飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果 第11章 基于視覺的目標(biāo)跟蹤 11.1 引言 11.2 視覺跟蹤中的坐標(biāo)系統(tǒng) 11.3 攝像機(jī)標(biāo)定 11.3.1 攝像機(jī)模型 11.3.2 內(nèi)參數(shù)估計(jì) 11.3.3 畸變補(bǔ)償 11.3.4 簡化的攝像機(jī)模型 11.4 基于視覺的地面目標(biāo)跟蹤 11.4.1 目標(biāo)檢測 11.4.2 圖像跟蹤 11.4.3 目標(biāo)跟蹤控制 11.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   10.1 引言 在自然界中很早就已經(jīng)觀察到編隊(duì)與合作現(xiàn)象了，例如，許多鳥類與昆蟲還有魚類以各種編隊(duì)形式飛行或巡游。研究表明，它們的編隊(duì)策略能夠提高團(tuán)隊(duì)行為的效率，降低被捕食的機(jī)會(huì)。當(dāng)無人系統(tǒng)出現(xiàn)后，多機(jī)合作近來成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，因?yàn)橛袝r(shí)在實(shí)際生活中為了完成某些復(fù)雜的任務(wù)，多機(jī)合作是必須的。 本章呈現(xiàn)多無人系統(tǒng)編隊(duì)控制的一些初步結(jié)果。具體來講，基于眾所周知的長機(jī)一僚機(jī)飛行模式，研究并實(shí)現(xiàn)一種簡單的編隊(duì)飛行策略，保持多無人系統(tǒng)相對固定的幾何編隊(duì)形式，同時(shí)引導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng)跟蹤一些期望的航線。在飛行實(shí)驗(yàn)中，我們使用了HeLion與SheLion兩架無人旋翼飛行器，并采用了一種有效的避碰機(jī)制，以保證編隊(duì)飛行的整體安全。 實(shí)現(xiàn)編隊(duì)合作有多種選擇，每種方法都有其自身的優(yōu)、缺點(diǎn)?？傮w上講，在無人飛行器編隊(duì)飛行中，常采用兩種策略，也就是基于模型的和不基于模型的策略。前者相對傳統(tǒng)一些，已經(jīng)在大量的有人或無人機(jī)應(yīng)用中得到了證實(shí)，因此在理論研究與實(shí)際實(shí)現(xiàn)中占有統(tǒng)治地位。 基于模型的編隊(duì)策略還可以進(jìn)一步分成三類：航跡跟蹤、長機(jī)一僚機(jī)保持和虛擬結(jié)構(gòu)方式。 航跡跟蹤是最簡單的一種編隊(duì)策略，最適合于實(shí)現(xiàn)簡單機(jī)動(dòng)情況下的航跡跟蹤，該情況下，需要預(yù)先設(shè)定航線。航跡跟蹤關(guān)注盡可能地保持實(shí)際飛行路徑靠近預(yù)設(shè)航線，由于其簡單易實(shí)現(xiàn)，該方法已經(jīng)在許多應(yīng)用中使用。航跡跟蹤編隊(duì)策略的優(yōu)點(diǎn)有：①易于預(yù)測實(shí)際飛行性能與行為；②對各機(jī)之間的相對位置要求不高；③各機(jī)間的通信、信息與數(shù)據(jù)交換要求較低。其缺點(diǎn)則有：①協(xié)作不靈活；②對編隊(duì)中的所有個(gè)體缺少可靠的參考。 長機(jī)一僚機(jī)策略是實(shí)際實(shí)現(xiàn)中最流行的一種編隊(duì)方式，許多研究工作者對其進(jìn)行了深入探索。以評估該種編隊(duì)方式優(yōu)越性為目的的眾所周知的一個(gè)項(xiàng)目是NASA的自主編隊(duì)飛行計(jì)劃，已經(jīng)成功演示了固定翼飛行器（F／A—18）翼尖氣流能夠?yàn)槠涓S者提供能量。長機(jī)一僚機(jī)編隊(duì)方案保持各無人機(jī)間固定的幾何位置結(jié)構(gòu)，這種靜態(tài)結(jié)構(gòu)可以預(yù)先根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論或是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制定，主要有兩種類型的長機(jī)一僚機(jī)靜態(tài)結(jié)構(gòu)保持方式：一種是前機(jī)模式（front mode），保持鄰機(jī)間相對位置使得跟隨機(jī)直接處于側(cè)翼機(jī)的渦流內(nèi)；另一種是長機(jī)模式（leader mode），每架飛行器都與指定的長機(jī)保持相對位置。對于固定翼無人飛行器來說，既然僚機(jī)能夠獲得節(jié)省動(dòng)力與能量的好處，前一種模式得到了很好的研究，對于小型無人旋翼飛行器來說，其編隊(duì)飛行主要關(guān)注隊(duì)形與相對位置保持，因此本章采用了長機(jī)模式。

編輯推薦

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