四旋翼无人机的航行轨迹规划与控制技术文献综述

 2021-11-04 20:49:04

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一.本课题研究的目的及意义小型四旋翼无人机(英文简称:UAV)是一种小型、性能优良的,具有垂直起降功能的直升机,它具有经济成本低、机身尺寸小,飞行机动灵活,不易损坏,起飞速度快,对起飞降场地要求低,维护简单、续航能力强等许多优点,在执行完成航拍、搜索、抢险救灾、情报获取等方面的应用上具有明显的优势,因而在国防现代化建设、民用、商用或考古探险等领域的应用广泛并具有良好的发展舞台和发展前景。

对其航行轨迹规划和控制方法的研究将是世界上对无人机研究的重要环节之一,对社会全面现代化建设有着重要意义。

另外,由于小型四旋翼无人机是一种机械结构对称简单,可实现六自由度运动的微小型飞行器,可以完成各种困难的飞行任务以及适应复杂的飞行环境,代替人类进行各种勘探任务,广泛应用于国防,民用等各个领域之中,相比于大型的商用实体系统,用小型四旋翼无人机搭建的系统在保证实验特性基本不变的条件下,能够极大地缩减研究成本,有利于更好地推进各种基础理论课题研究的进行。

随着计算机、传感器和驱动器技术的发展,具有垂直起降和悬停能力的四旋翼无人机逐渐成为微小型无人机研究的热点方向。

为了适应微小型无人机的任务目标,四旋翼无人机的控制需要满足大范围和快速机动的性能要求,同时由于设计的四旋翼无人机惯量较小,更易受到自身非线性特性和各种外部干扰的影响,因此四旋翼无人机的控制算法还需要具有较高的抗干扰能力。

无人机的轨迹规划是指在满足无人机性能指标和特定的约束条件下,寻找一条从起始点到目标点的最优或者次优的飞行轨迹,它是无人机实现自主巡航的重要组成部分。

小型四旋翼无人机又具有强耦合、非线性以及欠驱动的特性,给无人机的精确建模和飞行控制系统的控制器设计带来了很大的挑战,因此无人机的航行轨迹规划算法优化也无论在民用商用还是国防建设方面都一直是研究的热门方向,本文由于基础知识和技术能力有限只针对传统轨迹规划算法的缺陷,以及充分利用旋翼机可悬停和向各个方向机动的优势,并考虑其由于机上小型CPU处理运算功能不足而机载运算能力相对较弱的因素,可以采用一种基于Sigmoid函数的多个路径点间的轨迹规划算法,并根据小型四旋翼无人机的结构及飞行原理特点建立了无人机的飞行非线性动力学模型,再对其进行合理的简化,通过MATLAB/SIMULINK进行仿真实验验证。

仿真结果显示,与经典PID 控制器相比,滑模控制器的收敛速度、鲁棒性以及轨迹跟踪能力都有很大的提升,其缺点是滑模控制的固有属性使得虚拟控制量出现严重的抖振,姿态角的跟踪出现稳态误差,难以在实际中加以应用。

二.国内外研究现状与发展趋势2.1 无人机飞行轨迹规划和控制研究现状黄建军主要对无人机航迹规划方法以及突发威胁情况下的无人机替代航迹在线实时规划方法进行了研究。

对国内外无人机自主控制技术发展情况进行了详细的调研,分析了无人自主控制研究的主要方向及特点;调研了无人机自主飞行轨迹规划与重规划发展现状及其趋势。

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