四旋翼飞行器的定点降落研究

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1、卓越工程师教育培养计划SHANGHAIUNIVERSITY毕业设计（论文）UNDERGRADUATEPROJECT(THESIS)装订线题目:四旋翼飞行器的定点降落研究学院机电工程与自动化专业机械工程及自动化学号11124725学生姓名张健指导教师张曦企业名称WorcesterPolytechnicInstitute企业导师KevinRong起讫日期2015年1月5日至6月14日上海大学毕业设计(论文)目录摘要3ABSTRACT5第1章绪论61.1四旋翼飞行器的概念61.2四旋翼飞行器的国内外研究历史及现状61.3本文的

2、结构安排9第2章飞控相关理论112.1系统建模与动力学分析112.1.1姿态定义112.1.2叶片动力学122.1.3动力学分析142.2控制算法172.2.1PID技术172.2.2飞控中的PID技术192.3MATLAB仿真程序222.3.1什么是MATLAB？222.3.2仿真框图242.3.3可视化函数252.3.4按键中断功能实现262.3.5整体效果图272.4本章小结28第3章方案设计293.1目标分析与目标定义293.2飞控方案303.3图像定位方案313.4调试方案333.5本章小结33第4章四旋翼硬件

3、实验平台的搭建344.1硬件组成354.2硬件参数354.3本章小结39第5章图像处理技术405.1边缘检测405.2水平距离检测415.3垂直距离检测415.4路径规划PID435.5本章小结43第6章软件结构设计446.1系统框架图4458上海大学毕业设计(论文)6.2底层飞控456.3飞行模拟器466.4蓝牙串口工具466.5OpenCV（Python）476.6本章小结47第7章四旋翼飞行器的实验验证487.1飞控板配置497.2模拟器试飞497.3硬件通信507.4模式切换507.5高度PID507.6平移PI

4、D517.7定点降落517.8本章小结52致谢55参考文献5758上海大学毕业设计(论文)四旋翼飞行器的定点降落研究摘要四旋翼无人飞行器因其良好的机动性、成本低廉、垂直起降方便，在运输、安防监控、抢险救灾、航拍等领域受到了日益广泛的应用。当前，全球各大科研机构对四旋翼的姿态融合、飞控算法、自动飞行都做了各种各样的研究。然而在自动飞行方面，由于需要依靠室内高精度定位设备，绝大多数自动飞行的成果局限于室内飞行条件，无法直接运用于室外自主飞行。本文针对四旋翼飞行器的室外定点自主降落问题展开研究，提出了一种可行的解决方案。首先，

5、本文总结了飞控相关理论。对叶片动力学进行了分析，建立了四旋翼飞行器的基于欧拉角动力学模型和基于PID的控制算法，并对飞控理论进行了Matlab数值仿真。该飞控理论的总结与归纳解决了四旋翼飞行控制的基本理论问题，为四旋翼的稳定飞行、路径规划提供了有力的理论依据。接着，针对自主定点降落问题进行了总体方案设计，明确了基于视觉的空间定位方法，通过对三维双目视觉定位、三维分时单目视觉定位以及二维单目视觉定位这三种不同空间定位策略的分析，结合四旋翼飞行器飞行时机身平面近似平行于地面的特点，选用了二维视觉定位的方法，不仅减少了摄像头的

6、使用数目，还降低了软件计算量，提高了计算效率。然后，详细介绍了四旋翼硬件平台的搭建。该平台使用了卡片计算机树莓派B+作为图像处理板，有利于使用OpenCV图像处理库来简化图像处理的难度。使用了CRIUSMultiwii飞控板作为底层飞控板，该飞控板集成惯性测量单元、具有自带软件调试环境，可以在飞控稳定性和使用简便性上带来更大的帮助。除此之外，58上海大学毕业设计(论文)还介绍了电子调速器、蓝牙串口、摄像头、电机等各硬件模块的选型依据和功能特性。同时，针对二维图像定位问题提出了具体的图像处理算法，包括边缘检测、图像测距等，

7、并通过实验得出了高度预测曲线、平面距离公式等结果，解决了四旋翼空间定位问题。之后，对系统的软件结构进行了设计。建立了四旋翼自主定点降落的软件结构框图。其中，针对图像处理效率低的问题还提出了多线程并行运行的设计思路，有效解决了图像处理速度低印象实时飞行控制的问题，并在此基础上介绍了各个环节使用的软件工具链。最后，根据实际操作步骤细致介绍了具体的实验验证思路。从飞控配置、到模拟器试飞、从两块控制板的硬件通信、到模式切换实验、到平移、垂直路径算法的提出、最后实现定点自主降落。阐述了实验过程中遇到的诸如电池、路径PID参数整定等

8、问题和相应的解决方案。关键词：四旋翼飞行器；图像定位；自主定点降落ABSTRACT装订线Becauseofitsgoodmaneuverability,lowcost,easytotakeoffandlandvertically,quadrotorUAV(unmannedaerialvehicle)hasbeenin