四旋翼飞行机器人室外导航避障系统设计

毕 业 设 计 (论 文 )四旋翼飞行机器人室外导航避障系统设计DESIGN OF FOUR ROTOR FLYING ROBOT OUTDOOR NAVAGATION AND OBSTANKLE AVOIDANCE SYSTEM学位论文原创性 声明图书分类号：密 级：学 生 姓 名班 级学 院 名 称专 业 名 称指 导 教 师毕 业 设 计 (论 文 )本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日毕 业 设 计 (论 文 )摘要四旋翼飞行机器人也称四旋翼飞行器，有 4 个呈十字形交叉分布的螺旋桨。四旋翼飞行器属于多旋翼飞行器的一种，也是一种智能机器人。相比较固定翼飞行器而言，四旋翼飞行器具有结构简单，控制灵活等优点。可以实现垂直起降、定点悬停等功能，因而可以完成更加复杂的飞行任务。随着传感器技术和控制理论的不断发展,尤其是微电子和微机械技术的逐步成熟,使四轴飞行器的自主飞行控制得以实现,并成为国际上的研究热点。本文主要研究四旋翼飞行器的室外导航与避障问题，在导航方面，采用 GPS 导航与惯性导航相结合的方法,采用超声波作为避障传感器,设计出一种无人飞行器自主航路规划方法,不仅确保了全局航路的最优性,而且保证局部航路实时规避障碍物,使无人飞行器能更好地适应环境的变化。关键词 四旋翼飞行器；GPS；惯性导航；超声波毕 业 设 计 (论 文 )毕 业 设 计 (论 文 )AbstractFour rotor also say four rotor aircraft flying robot, there are four is crossed the distribution of the propeller.More than four rotor aircraft belonging to a rotor aircraft, is also a kind of intelligent robots.Compared with fixed wing aircraft, four rotor aircraft with simple structure, flexible control, etc.Can implement vertical take-off and landing, the function such as fixed-point hover, thus can complete more complicated mission.With the continuous development of sensor technology and control theory, especially the microelectronics and micro mechanical technology mature gradually, make four shaft can realize autonomous flight control of aircraft, and as the international research hot spot.This paper mainly studies four rotor aircraft outdoor navigation and obstacle avoidance problem, in terms of navigation, adopt the method of combining the GPS navigation and inertial navigation, as obstacle avoidance of ultrasonic sensor, design a kind of unmanned aerial vehicles autonomously route planning method, not only ensure the optimality of the global route, local route and guarantee real-time avoiding obstacles, unmanned aerial vehicles can better adapt to changes in the environment.Keywords robot;GPS;navigation;ultrasonic毕 业 设 计 (论 文 )目 录摘要 .Abstract .目 录 1 绪论 11.1 引言 11.2 研究意义 11.3 研究现状 11.3.1 发展历史 11.3.2 发展现状 32 四旋翼飞行器的飞行原理 82.1 硬件构成 82.1.1 机架 82.1.2 电池 92.1.3 飞控 92.1.4 电机 .112.1.5 电调 .122.2 控制原理 .122.2.1 姿态控制 .122.2.2 PID 控制原理 133 传感器选择 .163.1 导航传感器 .163.1.1 GPS 模块 163.1.2 惯性导航模块 .193.2 避障传感器 .203.2.1 超声波模块 .204 导航避障系统设计 .224.1 系统设计思想 .224.2 ROS 简介 224.2.1 特点 .224.2.2 运行原理 .244.3 避障导航系统设计 .254.3.1 建立模型 .254.3.2 系统设计 .26结论 .28致谢 .29参考文献 .30毕 业 设 计 (论 文 )11 绪论1.1 引言2013 年以来，对于四旋翼飞行器的研究引起了人们极大的关注，多旋翼飞行器的飞行控制已不再是特别高深的学术问题，大部分具有电子、控制等相关专业背景的人都可以掌握。对于一些科研人员来说，单个飞行器的飞行控制已经不能引起他们的兴趣，他们已经将研究重点放到了智能导航和多个飞行器的编队飞行上。按照有无人工干预，四旋翼飞行器的飞行有两种模式，即遥控飞行和自主飞行。遥控飞行靠人大操作技巧与经验，而自主飞行则要依靠控制器的运算速度、传感器的经度以及程序的可靠性等。本设计选用技术已经很成熟的 GPS 和超声波分别设计导航与避障系统，并将 ROS（机器人操作系统）引入四旋翼飞行器，为其自主飞行提供可靠保障。1.2 研究意义目前，四旋翼飞行器已经不再只是存在于实验室的高深民事用途上的四旋翼飞行器主要工作在低空领域，该领域充斥着房屋、树木等障碍物，环境复杂，对飞行确定自主飞行是一个很大的挑战。为了使四旋翼飞行器能够轻松地在环境复杂多变的室外飞行，躲避障碍物，就要重点研究如何让飞行器可以自动检测它所处的空间位置并且分析所处的空间环境，绕开其它物体，规划出合理的飞行路径。四旋翼飞行器飞行系统的关键性能指标是能否实现智能化自动避障功能1,在规划好的路径上，经常存在着各种个样的障碍物，如何自动避开这些障碍物，是四旋翼飞行器研究的难点之一。但是,那些工作在室外特别是低空领域中飞行的四旋翼飞行器,因为该领域冲出着大量的房屋、树木等障碍物，环境复杂，存在着很大的安全隐患。所以，如何实现飞行器快速有效地躲避障碍物，实现精确导航，具有十分重要的现实意义。毕 业 设 计 (论 文 )21.3 研究现状1.3.1 发展历史四旋翼飞行器最早出现于上世纪初，在此后的几十年里，人们做出了大量的尝试。1907 年，在 Richet 教授的指导下，Breguet 兄弟 Louis 和 Jacque 制造了第一架旋翼式飞行器。该四旋翼飞行器的得机架由钢管焊接而成，呈“十”字形，四个旋翼位于端点上，其四个旋翼旋转方向不同并且相对的两个旋翼旋转方向相同。该飞行器最终测试时距离地面达到 1.5 米，但持续的时间不是很长。由于当时控制技术还很落后，所以这次飞行效果很差。图 1-1 Breguet-Richet 四旋翼飞行器1922 年，George De Bothezat 在美国俄亥俄州的空军部建造了一架大型的四旋翼直升机，如图 1.2 所示。该飞行器只有一个发动机，同时驱动 4 个旋翼。可以实现升降控制与方向控制。由于飞行效果不佳，造价昂贵，以及当时的人们对旋翼飞行器的关注程度，美国军方决定不再投资研究。图 1-2 De Bothezat 四旋翼飞行器1956 年，Convertawings 公司在纽约的 Amitycille 制造了一架四旋翼直升机，如图 1.3 所示。该飞行器的体积较大，旋翼直径将近 6m。与以往设计不同的是，该飞行器中使用两台发动机驱动，而且控制方法与当前控制方法类似，即调节每个螺旋桨的转速来保证飞行器平稳飞行。遗憾的是，即使 Convertawings 四旋翼飞行器的表现效果很好，依然没能引起人们太大的关注，对其研究也即终止。毕 业 设 计 (论 文 )3图 1-3 Convertawings 四旋翼飞行器虽然相比较固定翼飞行器，四旋翼飞行器具有机械结构与飞行原理简单的优点，但受当时技术条件的限制，对四旋翼飞行器的研究并没有取得多大进展。最近十几年，微机电系统（MEMS）、传感器、控制理论等相关技术获得极大的进步，这些都促进了四旋翼飞行器技术的发展。到 2005 年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。在一些发达国家，更多的人选择研究多旋翼飞行器，而不再是研究直升机式飞行器。来自宾夕法尼亚大学的 VijayKumar 教授于 2012 年 2 月在 TED 上做了一场关于四旋翼飞行器的演讲，这次演讲引起了巨大的反响，可以称得上四旋翼飞行器发展史上的一座里程碑。自此之后，四旋翼飞行器受到的关注度迅速提升，成为了新的商业焦点。1.3.2 发展现状最近几年,人们普遍对研究四旋翼飞行器产生了很大的兴趣，其应有也更加多样。世界主要国家在发展军用飞行器的同时, 也在着力发展民用飞行器, 不断研制小型化、微型化的飞行器。随着嵌入式处理器、微传感器技术、控制理论的发展, 微机电系统技术在个方面得到普遍应用, 很多国家都开始研制四旋翼飞行器2。美国的 MIT，德国的Ascending Technology 等是具有代表性的科研团队。还有一些民用企业，将四旋翼飞行器作为产品来开发，比如 Micro Drones,Dragonfly,Micropterous 等。四旋翼飞行器属于一种机电一体化产品,国内外很多著名的科研机构都开展了一些项目来研究四旋翼飞行器, 许多研究机构在开发能够在不是很复杂得环境中自主飞行的四旋翼无人机方面取得了成功, 但是发展能够在很复杂的环境中全自主飞行的飞行器，仍然是个很大的挑战。下面, 将从 3 个方面对国内外微小型四旋翼无人机研究进展进行描述。毕 业 设 计 (论 文 )4图 1-4 瑞士洛桑联邦科技学院 OS4(1)早期探索阶段从上世纪初四旋翼飞行器最初被制造出来以后，一直到上世纪中叶，四旋翼飞行器一直处在探索阶段，这一时期，主要是西方的一些国家在进行研究。比较著名的有瑞士的 OS4 飞行器与加拿大的 X-4 Flyer Mark II。 OS4 由瑞士的一家大学负责研究。OS4 四旋翼飞行器如图 1-4，具备在简单环境中无人干预飞行能力。OS4 最初用于研究全自动飞行器, 这个项目的任务是要研究并制造出一个飞行器系统，用于实现四旋翼飞行器的无人工干预飞行。而且，OS4 也采取了相应的避障措施，使用超声波技术，识别阻碍飞行的物体, 此外，利用 Matlab/Simulink 软件模拟运行了避障设计。OS 项目的主要研究成果是设计出了四旋翼飞行器的基本控制方法，并涉及到一些关于躲避障碍物方面的研究。设计了避障控制器、基于位置和速度控制的 5 种不同避碰方法, 并做了相关测试实验证明, OS4 在仿真环境中能够避开障碍物, 安全飞行。下一步研究重点是增强平台推力, 使 OS4 更可靠, 提高自主飞行能力, 改进视觉传感器以及测试航点跟随和机动避障能力 3。图 1-5 X-4 Flyer Mark II 四旋翼平台 X-4 Flyer Mark II 是澳大利亚一所大学设计的四旋翼实验装置。X-4 Flyer Mark II 如图 1-5,该飞行器设计了一套算法用于控制飞行，并且可以自主运行。在硬件方面，毕 业 设 计 (论 文 )5为了减轻重量，设计人员采用了新材料碳纤维制作飞行器框架部分，稳固耐摔。 另外设计人员将该飞行器的控制部分单独制作，便于拓展与移植。与 OS4 相同，开发人员也用Matlab 软件进行仿真运行，结果该飞行器飞行效果很好，能够抵御外界的干扰，达到了预期的效果。X-4 Flyer Mark II 采用线性单输入单输出控制器来控制飞行姿态, 使横滚与俯仰两种姿态的耦合成为可能, 并使用干扰输入模型来估计对象的执行效果, 补偿器能有效调节高度和旋翼速度。图 1-6 NUDT 控制试验平 相比较国外而言，国内关于四旋翼飞行器的研究起步较晚。硬件上除机架等非核心部分可以自行制作外，其他主要部件，像电机、部分传感器等需要使用国外产品。另外，国内设计人员还设计了一套齿轮装置来给电机减速。控制系统方面，主要研究了电机转速伺服装置、传感器模块与通讯模块。下一步的研究目标是实现在室外环境中高精度姿态稳定控制、全自主航点飞行、碰撞规避等实验 4。（2）现有平台集成研究为了方便不同项目的研究，提高工作效率，一些大学搭建了四旋翼飞行器实验平台，具有代表性的是麻省理工学院和斯坦福大学。斯坦福大学以 Dragonflyer III 为实验平台，在其基础上进行改造。该项目共进行了两次改造，飞行器分别被命名为 STARMAC I和 STARMAC II。飞行控制器有两部分组成，其一固定在飞行器上，控制飞行器的姿态，另一部分固定在某一地点，称作地面站。负责飞行器与地面站之间通信的模块与负责传感器数据读取的模块由斯坦福大学独立开发。该飞行器采用碳纤维制作机架，具有更好的机械性能，同时也延长了飞行时间。研究目的是是四旋翼飞行器具备在复杂环境中飞行的能力，完成检测、巡视等任务。完成这些测试后，该飞行器将向着多飞行器编队飞行方向发展。毕 业 设 计 (论 文 )6图 1-7 两型斯坦福无人机图 1-8 MIT 多机编队实验麻省理工学院主要研究多飞行器的协同飞行。当有多个飞行器同时飞行时，对每一个飞行器而言，它所处的环境都是时刻变化的，这就需要飞行器不断地检测周围环境，而且对控制器的运算速度要求很高。飞行器使用精度较高的激光传感器进行环境检测，使用加速度计和陀螺仪检测飞行姿态，控制更加灵活。该项目的实验平台是在Dragonflyer VTi 基础上改装而来的，所有飞行器都是由地面战控制的，一台地面站可以同时控制 4 架飞行器。该项目的任务是同时追踪多个目标，不间断地完成规定任务。多机协同和编队飞行等实验见图 1-10 和图 1-11。（3）无人机商业化应用德国的 Microdrones、美国的 Dragonflyer 和法国派诺特的 AR.DRONE 是在市场应用方面的典型。德国 MD4-200 四旋翼飞行器机架材料为碳纤维，（见图 1-12）可以实现垂直起降和自主驾驶功能。机架由碳塑材料制造，碳纤维具有很好的机械特性和电磁特性，不但可以减小机身重量，提高抗摔能力，而且可以有效抵抗电磁干扰。在电量不足或通信中断时，MD4200 可以自主降落, 防止发生意外。为了适应不同的任务要求，MD4200 采用模块化设计,可更换机载任务设备。毕 业 设 计 (论 文 )7图 1-9 德国 MD4-200美国的商业化应代表是 Dragonflyer X4，如图 1-14 整个机身材料都选用性能优异的材料，其机架和螺旋桨都是碳纤维制成。该飞行器上还使用了大量的传感器，用于检测自身飞行器姿态和周围环境，在机架下方可以搭载摄像机,可完成航拍、地质勘测等任务。在飞行方面，可以停在空中一固定点并几乎保持不动。在电池电量不足的情况下，可以自主返回出发点并安全降落，安全性能很好。Dragonflyer X4 主要用于民事应用、目前可以用于航拍领域比较多。它的升级版本 DragonflyerE4 则因其接口开放程度高，易与其他模块集成，在科研领域有着广泛的应用。法国派诺特公司开发的 AR.DRONE 飞行器不具备自主飞行能力，徐通过遥控控制其飞行。虽然不能自主飞行，但是 AR.DRONE 飞行器与现在流行的通信技术密切结合，其遥控式通过 WiFi 协议进行的。该飞行器还可以使用苹果手机进行控制，这使得它具有很浓的时尚气息。该机配置了重力感应装置、陀螺仪、机械控制芯片等装置, 还能进行两人模拟空战。能够实现在空中悬停, 同时在微风状态下也能够平衡。图 1-10 法国 AR DRONE谈到四旋翼飞行器的市场，不应该忽略中国的大疆无人机科技有限公司（DJI）。早年 DJI 致力于研究直升机控制器。不过在 2010 年，因受到 AR.Drone 成功的启发，DJI 也开始研究四旋翼飞行器，并于 2012 年相继推出了风火轮系列四旋翼机架、悟空四旋翼飞毕 业 设 计 (论 文 )8控和 S800 六旋翼飞行器。当时，在 AR.Drone 的引领下，全球范围内都有一股将四旋翼商业化的热潮，DJI 只是众多小四旋翼公司中稍微出众的一个。随着 2013 年 1 月 DJI Phantom 的推出，四旋翼飞行器市场的形势发生了巨大的变化。“Phantom”的英文意思是幻影、精灵。Phantom 与 AR.Drone 一样控制简便，新手学习多半个小时就可以自由飞行。Phantom 尺寸比 AR.Drone 大的多，抗风性更好，还具有内置GPS 导航功能，可以在户外很大的范围内飞行。更重要的是，当时利用 GoPro 运动相机拍摄极限运动已经成为欧美国家的时尚，而 Phantom 提供了挂载 GoPro 的连接架，让用GoPro 相机的人们有了从天空向下的拍摄视角。特别地，与传统的飞机和直升机航拍不同，多旋翼系统小巧灵活，能让拍摄者自由地控制角度和距离。就像 iPhone 重新定义了手机一样，我们也可以毫不夸张地说 Phantom+GoPro 重新定义了航拍，也重新定义了相机。Phantom 迅速成为了世界上销量最大的四旋翼飞行器，每月销量成千上万。随着Phantom 的成功，“多旋翼航拍影像系统”成为了 DJI 的主要发展方向。按照多方进行的数据统计，目前全球称为航拍影像系统的产品中，DJI 产品的销量超过 5 成，是名符其实的行业领导者。事实是，DJI 产品在国内销量差不多是国外销量的零头。2 四旋翼飞行器的飞行原理2.1 硬件构成型4.3.2 系统设计因为在 ROS 中，所有的工作都是由节点完成的，所以在设计导航系统时，需要定义若干节点 16。系统结构如图所示。毕 业 设 计 (论 文 )9图 4-5 导航系统结构图依据作用不同，这些节点分为 3 个部分，数据输入、数据处理和数据输出。分别介绍如下：（1）数据输入首先，导航系统需要从外界获取信息，这些信息包括导航信息与避障信息。导航信息主要是指地图信息，分为全局和局部。全局地图存在服务器中，本设计不使用全用全局地图，只用局部地图。局部地图信息来自 GPS 实时监测。局部地图输入节点名为 map_server。避障信息来自超声波传感器，其输入节点是 sensor_msgs。map_server 节点和 sensor_msgs 节点成为数据输入节点，作用是是把来自传感器的数据的格式改为 ROS 可以识别的格式。(2)数据处理数据处理节点的作用有两个，一是对来自输入部分的数据进行处理，根据这些数据建立飞行环境信息；二是根据环境信息，制定合理的飞行路径。数据处理节点都在类move_base 中，数据处理节点有两个：local_costmap 和 local_planner。local_costmap从输入节点那里得到各种信息，处理后得到实时的飞行环境信息，并把他们送到local_planner，规划飞行路径，实现导航 17。（3）数据输出根据数据处理节点确定的飞行路径，数据输出节点 cmd_vel 计算出飞行器的飞行速度。在平面机器人系统中，这个量可以直接用于驱动机器人移动。但是对于四旋翼飞行器，它是在三维空间中运动，他不光要按照规划好的路径飞行，还要时刻保持自身的平衡。因此，cmd_vel 得输出量还要先传送到飞控，通过飞控计算出各个电机的控制量。毕 业 设 计 (论 文 )10结论最近几年，四旋翼飞行器逐步从实验研究走向实际应用，而且其应用将会越来越广泛。因为四旋翼飞行器在运行时螺旋桨高速旋转，具有很强的破环能力，存在着很多安全隐患，因此实现四旋翼飞行器的精准导航与避障，具有很强的现实意义。本课题的任务是设计四旋翼飞行器的室外导航与避障系统，主要工作内容有：（1）根据设计要求，对四旋翼各个部分进行选型，包括飞控、电机等，并按照模块化设计思想，完成飞行器本体的设计。（2）研究了常用的导航避障思想，并结合自身知识能力水平，进行导航避障系统设计，选择合适的传感器，并进行合理的布置。（3）将 ROS 系统引入四旋翼飞行器，这也是本设计的创新点所在。在 ROS 中，对四旋翼飞行器进行简单建模，设计了导航避障的程序结构以及与传感器及飞控的信息传递接口。因为能力有限，本设计尚有一些不足之处，先提出两点展望： （1）本设计尽是从理论方面对四旋翼飞行器的导航避障系统设计，希望以后可以制作出实物，进行测试，以验证设计的可行性。（2）本设计的目标位置是实现通过写到飞控里的，实时性很差，以后可以采用遥控机制，通过地面站向飞行器发送目标位置，并将使用微型飞行器通信协议 Mavlink 进行毕 业 设 计 (论 文 )11通信。致谢毕 业 设 计 (论 文 )12参考文献1 魏俊民，周砚江.机电一体化系统设计M.北京：中国纺织出版社,19982 岳基隆.微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析D.2011 3 刘小春.电机与拖动M.北京：人民邮电出版社，20104 戴斐.机载目标视频跟踪与控制技术研究D.大学生论文联合比对库，20135 胡占双.无人机飞行姿态检测及控制研究D.沈阳航空航天大学硕士论文.20126 黄澈.计算机控制虚拟教学实验系统的研究D.太原理工大学硕士论文,20147 张松兰.PID 控制器参数整定M科技情报开发与经济，20078 邹波.基于多超声波测距与模糊控制避障系统的设计与实现D. 西安交通大学,20139 宋洋.无人飞行器自主航路规划技术及仿真研究D.哈尔滨工程大学,201110成怡.四轴飞行器组合导航非线性滤波算法J.天津工业大学:计算机应用,2014,34(SI):341-34411 蒋林.全方位移动操作机器人及其运动规划与导航研究M.哈尔滨工业大学,200812 佚名.开源机器人操作系统探索总结OL.中国 IT 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