基于视觉的无人机自主着陆航迹规划与鲁棒控制技术研究

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1、中图分类号：TP391论文编号：102870315-S174学科分类号：081105硕士学位论文基于视觉的无人机自主着陆航迹规划与鲁棒控制技术研究研究生姓名谢也学科、专业导航、制导与控制研究方向先进飞行控制技术指导教师曹云峰教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一五年二月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationVision-BasedTrajectoryPlanningandRobustControlforAutonomousLand

2、ingofUnmannedAerialVehiclesAThesisinNavigation,GuidanceandControlbyXieYeAdvisedbyProf.CaoYunfengSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringFebruary,2015承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空

3、航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：摘要本文针对大型高速固定翼无人机，研究了基于视觉导航的自主着陆所需的航迹规划与鲁棒控制技术：其一，规划的航迹如何保证着陆目标在摄像头的视野内同时消除视觉估计误差对规划的不良影响；其二，如何表达分析视觉估计误差以及设计的鲁棒控制器如何保证整个系统对视觉估计误差的鲁棒性能。本文首先依据无人机相对着陆场地的位姿关系以及视觉导航系统的

4、工作状态，设计了基于视觉的自主着陆策略，其中的复飞机制能有效应对识别目标失败或者目标丢失等突发情况。然后提出了分段式航迹规划策略，并对特殊阶段实行离线规划。另外针对需要在线规划航迹的阶段，本文设计了航迹优化中的约束与性能指标，以保证着陆目标始终在摄像头的视野内，并利用Gauss伪谱法将其转化为非线性规划问题求解，然后为提高规划速度在此基础上集成了Dubins初值估计算法，最后引入滚动时域航迹更新方法实现动态优化以解决视觉估计误差对航迹优化的不良影响。针对航迹鲁棒控制问题，本文首先建立了视觉测量模型，并详细分析了视觉估计误差对不同模型不确定性的敏感程度。然后为

5、充分利用规划的航迹信息构建了全量非线性模型，并依据模型是否涉及航迹信息将其分为内回路和外回路，其中外回路在引入视觉测量模型不确定性的基础上采用了HH/混合控制，以保证系统的鲁棒性。2∞最后，本文分析验证了以上的航迹规划与鲁棒控制技术，并同时给出了控制系统所允许的视觉测量模型不确定性的范围，以指导视觉估计算法的研究。关键词：无人机，自主着陆，视觉导航，航迹动态规划，Gauss伪谱法，Dubins，滚动时域，模型不确定性，HH/混合控制，鲁棒性能2∞iABSTRACTForvision-basedautonomouslandingoffixed-wingunma

6、nnedaerialvehicles(UAV)whichareincapableofhovering,thetrajectoryplanningandrobustcontrolhasbeenstudiedinthispaper.Thetrajectorygenerationalgorithmcanprovideoptimizedpathwhichguaranteesthetargetbeingfieldofviewofcameraandreducethenegativeeffectsofvision-basedestimationerror.Therobus

7、tcontrollerenablestheUAVtoobtainrobustperformancewithunreliablevision-basednavigationinformationthoughtheanalysisofvision-basedestimationerror.Firstly,astrategyforvision-basedautonomouslandingisdesignedaccordingtotherelativeposebetweenUAVandrunwayandtheoperatingstateofvision-basedn

8、avigationsystem.TheGo-Grou