陈勇无人直升机最优轨迹规划方案设计和实现.doc

研究生学位论文无人直升机最优轨迹规划设计与实现作者姓名陈勇学科专业控制理论与控制工程指引教师方昌始 高档工程师所在学院自动化科学与工程学院论文提交日期6月UAV Optimal Trajectory Planning Design And ImplementationA Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate：Chen YongSupervisor：Prof. Fang changshiSouth China University of Technology Guangzhou，China分类号：TP273 学校代号：10561学 号：0434 华南理工大学研究生学位论文无人直升机最优轨迹规划设计与实现作者姓名： 陈勇 指引教师姓名、职称： 方昌始 高工申请学位级别： 研究生 学科专业名称： 控制理论与控制工程研究方向： 论文提交日期： 6 月 4 日 论文答辩日期： 6 月 9 日学位授予单位： 华南理工大学 学位授予日期： 年 月 日答辩委员会成员：主席： 委员： 华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交论文是本人在导师指引下独立进行研究所获得研究成果。除了文中特别加以标注引用内容外，本论文不包括任何其她个人或集体已经刊登或撰写成果作品。对本文研究做出重要贡献个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全理解学校关于保存、使用学位论文规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家关于部门或机构送交论文复印件和电子版，容许学位论文被查阅（除在保密期内保密论文外）；学校可以发布学位论文所有或某些内容，可以容许采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档内容和纸质论文内容相一致。本学位论文属于：保密，在 年解密后合用本授权书。不保密,同旨在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享合同单位浏览；批准将本人学位论文提交中华人民共和国学术期刊(光盘版)电子杂志社全文出版和编入CNKI中华人民共和国知识资源总库，传播学位论文所有或某些内容。 (请在以上相应方框内打“”)作者签名： 日期：指引教师签名： 日期：作者联系电话： 电子邮箱：联系地址(含邮编) ：摘 要当今，由于在民用及国防等诸多领域中广泛应用，空中机器人技术已经越来越被人们所注重，并吸引了各国专家学者注意。而基于模型直升机开发出来小型旋翼空中机器人更是在近几年中得到迅速发展，并依托其较高灵活机动性，在各个领域呈现出其独特优势。本文是在实验室已有无人直升机研究基本上，进行延续性设计和开拓性应用。以雷虎90型模型机为平台，实验室设计了一套基于ARM7为控制核心硬件平台，该平台传感器数据采集和INS/GPS数据滤波功能已经实现。本文在此基本上，移植了一套通过实验验证双闭环PID控制算法。然后调试与试飞整个系统，并完善控制器和调节控制参数，以达到抱负跟踪效果。在完毕控制器调试后，依次实现了悬停、转向、定点飞行、圆弧飞行等一系列独立飞行过程和相应参数调试。在此基本上，按照距离最优和时间最优原则，以扩展3D-Dubins模型，设计并实现了各种目的点巡航轨迹规划和飞行调度。最优轨迹规划和飞行调度是本文研究核心，最优轨迹规划是以3D-Dubins模型为飞行模型，计算空间任意两目的点间最短飞行途径，然后在此途径上，进行约束条件下速度调度，使无人直升机能在最短时间完毕该途径飞行。飞行调度是管理地面目的指令，调度相邻等待目的点，完毕最优规划功能，使整个飞行过程按照预定方式进行。核心词：无人直升机； 3D-Dubins模型；最优轨迹规划；飞行调度AbstractToday，as in many other areas of civil and national defense of the widely used，air robotics has been attracted the attention of national experts.The developed model-based small-scale helicopter is in rapid development in recent years and rely on its high flexible and mobile，in various fields has demonstrated its unique advantages.This article is the laboratory study has been based on the unmanned helicopter，for continuity of design and pioneering applications.Based on Tiger 90 model helicopter，my laboratory has designed parts of navigation system based on ARM7 core hardware platform ,which sensor data acquisition and INS / GPS data filtering has been achieved.On this basis，the transplant was experimental verification of a dual-loop PID control algorithm.Then debug and test the entire system，and improve the control and adjustment of control parameters to achieve the desired tracking performance.After the completion of commissioning the controller，to achieve a hover turnning，point to point flight，circular flight and the corresponding flight parameters debugging.On this basis，the optimal distance and time in accordance with the principles of optimal to extend the 3D-Dubins model，designed and implemented a number of target points during cruise flight path planning and scheduling.Optimal trajectory planning and flight scheduling is the core of this paper. Optimal trajectory planning is based on 3D-Dubins flight model，Firstly ,calculate the shortest flight path between any two target points by Dubins Path ，then on this path，for constraints speed planning，get the optimal trajectory in the shortest flight time to complete the shortest path. Flight scheduling is the management of ground flying instruction，scheduling target point adjacent to wait to complete the optimal planning functions to the flight in accordance with the intended manner.Keywords：Unmanned Aerial Vehicle；3D-Dubins Model；Optimal Trajectory Planning；Flight Schedule;目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究课题背景和意义11.2 无人直升机研究及其发展11.3 研究现状和本文构造41.4 名词解释51.5 课题来源6第二章 飞行控制系统硬件平台72.1 UAV模型平台72.2 飞行控制硬件平台总述82.2.1飞行控制计算机与协解决器82.2.2 传感器系统92.2.3 伺服系统102.2.4 地面监控系统102.3 本章小结10第三章 导航基本123.1 位置与速度描述123.1.1 地球中心坐标系123.1.2 本地水平坐标系123.1.3 Body-Frame133.1.4 WGS-84(World Geodetic System 1984)大地坐标133.1.5坐标系转换与位置/速度获取143.2 姿态描述163.2.1 UAV姿态定义163.2.2 欧拉角表达UAV姿态163.3 GPS/INS组合导航173.3.1 GPS/INS导航分析173.3.2 GPS/INS导航实现183.4 本章小结20第四章 控制系统实现214.1控制构造图214.1.1 构造图模块概述214.1.2 过程变量描述224.2 控制器实现244.2.1 导航控制器实现244.2.2 姿态控制器实现254.2.3 控制参数调试264.3 参照轨迹274.3.1 轨迹定义274.3.2 轨迹集合284.3.3 轨迹在线计算和数学描述294.5 本章小结34第五章 最优轨迹规划355.1 飞行任务描述和分析355.1.1 飞行任务355.1.2 目的指令355.1.3 任务执行过程375.2 最优问题数学模型和描述395.2.1 UAV最优问题数学描述395.2.2 Dubins模型395.2.3 Dubins问题解405.3 距离最优规划425.3.1 最优Dubins曲线425.3.2 求解最优Dubins曲线435.3.3 Dubins模型3D扩展455.3.4 距离最优轨迹455.4 时间最优二次规划465.4.1 时间最优问题解465.4.2 3D空间速度调度算法495.5 飞行调度方略525.5.1 点到点飞行525.5.2 多点飞行545.6 本章小结56第六章 轨迹规划实现和试飞576.1 软件实现576.1.1 状态描述类576.1.2 目的队列类586.1.3 飞行规划类596.2 试飞和数据分析616.2.1 试飞阐明616.2.2 飞行数据626.3 本章小结72结论与展望73参照文献74致 谢78第一章 绪论1.1 研究课题背景和意义无人直升机是一种极具挑战性多学科交叉前沿性研究课题。其中涉及新材料技术、惯导技术，全球定位技术，计算机视觉技术、通信和网络、自动控制、系统辨识、最优预计、多传感器数据融合、人工智能等各种领域理论和技术。由于直升机较固定翼飞机而言，具备悬停等灵活、机动飞行性能，起落受限制少、能适应复杂多变环境等优势，无人直升机在空中机器人家族中占有举足轻重地位，大多数研究机构选用直升机作为微小型无人机研究平台。在实际应用中，由于高度灵活性和很强适应性，无人直升机在军事、民用和科学研究上均有广泛应用前景。在军用方面，无人直升机重要用于低空侦察、电子干扰等任务。这样不但可以减少部队在侦察过程中伤亡，还可大大提高作战效率。而在民用领域中可用于通信中继、环境研究、自然灾害监视与增援。在科学研究上，可用于大气研究，对核生化污染区取样与监控、新技术新设备与新飞行器实验验证等。国外对无人直升机很早就开始研究，但由于技术保密缘故，国内无从获取其技术细节，并且国内起步相对较晚，技术相对落后。因而在国内研究无人机导航系统是非常有益和必要。1.2 无人直升机研究及其发展开展这一方面研制国家重要是美国、俄罗斯、日本、欧洲国家、以色列和中华人民共和国，其中比较典型有如下几种：1. 典型GPS/INS导航系统。MIT大学研究Xcell-60小型自动飞行器如图1-1所示，旋翼直径1524mm，总重8.1kg，其中电子设备重3.2kg。Xcell-60上设备重要有：带有266MHz主频CPUPC104计算机，运营QNX实时操作系统；传感器涉及1GPS接受器（频率是1hz，精度是2米），1六自由度惯性测量单元，Honeywell HMC三轴磁罗盘，Honeywell HPB200A高度计，系统同步使用了Kalman滤波器提高导航精度，并改进系统可靠性以及容错能力。图1.1 MITXcell-60直升飞机2多GPS联合导航系统。斯坦福大学研制可以自主悬停hummingbird直升飞机如图1-2所示，它机身长1580mm。Hummingbird导航系统采用是差分载波相位全球定位系统(DCPGPS-differential carrier phase GPS)。hummingbird直升飞机最具特色技术是通过机体上放置4个GPS接受天线，该系统就可以检测直升飞机姿态、航向信息，从而省去了高度计、惯性导航仪等繁杂设备。图1-2 Stanford hummingbird 直升飞机3 中华人民共和国第60研究所、南京航空航天大学、北京航空航天大学都开发了各自小型/超小型无人驾驶直升飞机系统，在珠海航空航天展上展示了两款北京航空航天大学完全自主设计无人直升机，如图1.4是一款型为FH-2无人直升机。图1.4 北航超小型共轴式无人直升飞机表1-1是一份关于国外重要大学无人直升机研究状况分析和总结1。表1-1 各研究单位滤波算法及控制算法分析比较UniversitySensors and processing techniques used on the HelicopterMassachusetts Instituteof TechnologyX-Cell 60 Helicopter ISIS-IMU with 100Hz update rate and 0.02 degrees/minute drift Honeywell HPB200A Altimeter with 2ft accuracySuperstar GPS receiver from Marconi with 1 Hz update rate13-state extended Kalman filter for state estimation LQR based controlCarnegie MellonUniversityYamaha R-Max Helicopter Litton LN-200 IMU with 400 Hz update rate and 4Kg尺寸机身长度1410mm机身高度476mm机身宽度190mm主旋翼直径1605mm尾旋翼直径260mm发动机型号OS/SZ91燃料甲醇/硝基甲烷气缸容量10cc制冷方式风冷齿轮比8.45:1:4.65飞行时间 15-25min图2-1 雷虎90直升机平台2.2 飞行控制硬件平台总述UAV硬件平台涉及四个子功能系统：飞行控制系统、传感器系统、伺服控制系统和地面监测系统。1) 飞行控制系统核心是AT91SAM7SE(512)，是飞行导航主控计算机；2) 传感器系统涉及惯性测量元件（IMU）、电子罗盘(Compass)、GPS(Global Position System)和声纳(Sonar)构成；3) 伺服控制系统由RC(Radio Controler)遥控器、接受机和伺服舵机构成。4) 地面监控系统涉及无线路由、地面监控平台两某些。系统构造如图2-2所示4。 图2.2 系统硬件架构图2.2.1飞行控制计算机与协解决器导航飞行控制计算机采用AT91SAM7SE512（ARM7）微解决器5，它是在国内应用广泛基于ARM7TDMI内核芯片，是当前应用最为广泛32位嵌入式RISC解决器，具备稳定、体积小、运算快、功耗低长处。该解决器负责传感器数据融合、导航规划、控制运算以及与地面监控平台交互，是整个飞行控制系统核心。协解决器涉及AVR Mega8L单片机和PC/104工控板。Mega8L单片机是Atmel公司生产高性能低功耗CMOS单片机，可以实现近1MIPS/MHz指令执行速度，负责遥控器信号(PCM1024 )解码和传播。PC104工控板是工业应用级别小型计算机，CPU工作频率可达900MHz，同步具备丰富外围设备和计算能力，是实验室上一代飞行控制系统主控平台，负责ARM7与地面监控系统数据流缓冲与传播。2.2.2 传感器系统1、 IMU用来测量UAV在飞行过程中三轴加速度和角速度，使用ADI公司高精度惯性感测(MEMS)模块ADIS 16350，该型号IMU提供了六组自由度(six-degrees-of-freedom)动作感测，并且内嵌校正与滤波算法，能直接提供精准3轴角速度与加速度测量值，原则数字SPI接口减少了AD转换噪声干扰，避免后期繁杂滤波以及校正解决。2、 COMPASS( 电子罗盘 )电子罗盘采用PNI公司提供磁通传感器SEN-S65和3轴磁通传感器驱动控制芯片PNI-11096构成。通过它提供3个垂直安装磁通传感器所感应磁通量测量值，得到精准航向角。该传感器电路构造简朴，通过全数字SPI口很以便与ARM7连接。3、 GPSGPS用来定位UAV在空间坐标和运动速度。GPS接受板选用是NovAtelOEMV-1，它体积紧凑、功耗低，可提供0.03m/s测速精度，数据更新率达20Hz ，单点定位精度为1.8 m，如采用NovAtel成熟RT20技术，实时定位精度可提高至20cm。4、Sonar声纳模块重要应用在无人机离地面7米以内高度测距，用于弥补GPS在低空高度测量上精度缺陷，本声纳系统选用了Senscomp公司生产Polaroid 6500 系列超声波测距模块。2.2.3 伺服系统伺服系统硬件采用了Futaba公司通用Radio Control伺服系统：T9CHP PCM1024遥控器、R149DP接受机、四个S9206高扭力舵机（分别控制直升机Roll 、Pitch 、YAW 和 COLL）、GY401锁尾陀螺仪和S9255数位式锁尾舵机。S9206舵机是飞行控制系统控制输出执行器，响应为0.19秒/60度，PWM工作周期是30ms，它决定了飞行控制器工作频率约为33Hz。2.2.4 地面监控系统地面监测系统是整个无人直升飞机系统重要构成某些。监控平台与机载程序之间具备双工通讯能力：一方面，机载程序需要把各种飞行数据发送给地面监控平台，另一方面，监控平台需要可以随时接受顾客命令输入，并及时将命令发送给UAV。监控平台硬件是一台DELLLaptop，在上面运营一套自行编写GS(Ground Station)软件来完毕上述功能6。无线传播某些(WLAN)选用了思科公司WRT54GC-CN路由器作为机载无线通讯设备，它采用802.11g作为通讯合同，最大传播速率达到54M，监控平台采用内置符合802.11g合同无线以太网卡Laptop。如要进行远程飞行，则由思科公司WAP54G无线AP接入路由器。2.3 本章小结本章一方面简介了小型直升飞机构造，以及基本参数，接着简介飞控系统硬件系统构架，详细描述了各个子系统功能和硬件资料，表2-2和表2-3详细总结了飞控系统硬件信息，本章知识是搭建自主飞行软件系统基本。表 2-2 核心计算器性能参数名称 型号重要参数主解决器AT91SAM7SE51254MHz主频CPU，32位ARM RISC架构，512Kb高速flash协解决器(PCM解码)AVR Mega8L16MHz主频，8位AVR微解决器，8Kb flash协解决器(数据传播)OEM PC PC/104PIII级别533MHz主频CPU，64MKb内存，支持串口、并口、USB和无线网络外围接口地面站DEll D620Intel Core T2300E CPU ， 512M内存，80G硬盘表 2-3 传感器性能参数表名称厂商与型号重要参数IMUADIS 16350滤波后角度精度可以到达1度以内，零点漂移导致角度偏差低于2度每20分钟CompassSEN-S65 & PNI-11096航向角抖动控制在在1-2度左右，动态效果抱负GPSNovAtel OEMV-1数据更新频率5Hz-20Hz，差分精度0.20m，速度精度0.3m/sSonarSenscomp Polaroid 6500 采样频率为7HZ，测量高度为7m，误差可以控制在4cm以内第三章 导航基本UAV自主飞行涉及到某些专业控制和导航知识，例如导航坐标系、姿态角、导航控制、姿态控制、INS/GPS导航等等78，为以便理解，本章会做某些基本简介。导航要解决基本问题是：当前在哪里？要去哪里？如何去？本章一方面回答第一种问题，也就是位置、速度和姿态角描述，然后简介INS/GPS导航算法。其他两个问题将在四、五两章回答。3.1 位置与速度描述对UAV进行导航首要问题就是要实时拟定其飞行状态，详细是指UAV当前位置、速度和姿态角。飞行状态量需要在某个详细坐标系中描述，这些坐标系涉及地球中心坐标系(Earth Centered Earth Fixed frame)、本地水平坐标系(Earth Surface North-East-Down Frame)和Body-Frame(Body frame )，本节一方面简介这几种坐标系，然后简介如何依托GPS信号获得飞机速度与位置量。3.1.1 地球中心坐标系地球中心坐标系(简称ECEF)是与地球固联并随处球转动而转动坐标系，如图3-1所示。地球中心坐标系用在GPS系统中就称为WGS-84坐标系。原点为地球质心，X轴为通过Greenwich线和赤道线，轴与X-Z轴构成右手法则，Z轴为通过地心指向北极。3.1.2 本地水平坐标系 本地水平坐标系（简称NED），是在导航时依照导航系统工作需要而选用作为导航基准坐标系，是用来做导航计算时使用，同样是通过满足右手正交法则三个向量轴来表达。向量指向是北方（North），向量指向是东方（East），向量是沿着本地重力加速度向量指向地（Down）。，向量与地球表面相切，故称之为本地水平坐标系。如图3-1所示。图3-1 地球中心坐标系(ECEF)与本地水平坐标系(NED)图3-1中向量是地球中心坐标系三个轴，向量是NED坐标系三个轴，表达经度，表达纬度。3.1.3 Body-FrameBody-Frame(Body Frame)是固连在UAV机体上坐标系。原点位于UAV重心处，沿机体纵轴指向前，沿机体横轴指向右，垂直于并相对于、成右手法则，沿UAV竖轴指向下。如图3-2所示。图3-2 Body-Frame示意图3.1.4 WGS-84(World Geodetic System 1984)大地坐标GPS单点定位坐标以及相对定位中解算基线向量属于WGS-84大地坐标系，由于GPS卫星星历是以WGS-84坐标为依照而建立9。WGS-84椭球及关于常数采用国际大地测量和地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，四个基本常数为：l 长半轴：l 地心引力常数(含大气层)：l 正常化二阶带谐系数：l 地球自转角速率：通过GPS输出信息，可以得到:l 经度(Longitude) ：在Greenwich线经度为零，即l 纬度(Latitude) ：在地球赤道，；在北极， ；在南极,l 高度 ：GPS输出高度信息是相对于海平面高度3.1.5坐标系转换与位置/速度获取第一步 ： WGS84转换到ECEFGPS接受机获得信息实际是一串固定格式数据报，通过解析这串数据报，得到WGS-84大地坐标系下地理信息，涉及：经度，纬度，海拔，航向Course和航速Speed。 一方面将GPS输出经度、纬度及高度信息转换到地球中心坐标系(ECEF)上，转换公式如下： (3-1) (3-2) (3-3)这里采用单位是米，式中表达经度,表达纬度（单位：弧度）,是相对与椭球体表面高度(单位:米)，表达曲率半径(单位:米)，其定义为 (3-4) 第二步： ECEF转换到NED 在取NED坐标系前，需要懂