无动力落体的运动姿态气动仿真及单相机位姿测量方法研究

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1、无动力落体的运动姿态气动仿真及单相机位姿测量方法研究No-powercarrierposeandmotionaerodynamicsimulationandmonocularmeasurementmethod学科专业：仪器科学与技术研究生：关印指导教师：王向军教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十月摘要随着相关领域技术的不断发展，无人机精准投送系统具有广阔的应用前景。本文对无人机投送的小型无动力运载器在下落阶段的落体运动与位姿调整过程进行数值计算与理论推导，搭建外部气流仿真测试环境，并设计了一种结

2、合多视图三维重建的单相机视觉测量方法记录运载器的姿态调整过程，对位姿数据进行分析，为今后运载器的空中姿态调整系统设计提供理论和技术依据。本文在与无人机投送系统应用背景相似的机载制导航弹控制理论的基础上，使用有限元数值模拟方法分析了运载器的气动布局与气动参数，建立了六自由度刚体运动数学模型并根据运动特征线性化模型。在此基础上，分析了尾部舵翼的位姿操控可行性，构建用于落体运动位姿调整的运载器试验样机并搭建外部气流仿真测试环境，通过仿真计算估计落体运动的速度区间，设置仿真环境的风速。为了提取样机在测试环境中运动时

3、的位姿变化，本文提出一种结合SfM序列图像三维重建的单相机视觉位姿测量方法。该方法在对PnP解算算法进行分析比较的基础上，使用SfM序列图像三维重建方法获取样机表面三维点云模型；提取样机表面具有尺度不变性与旋转不变性的特征点；结合三维点云模型与SfM序列图像，根据图像投影关系求解特征点的三维坐标；使用鲁棒性位姿估计算法解算当前样机的相对位姿变化。本文使用实验室设备对位姿测量方法的测量精度进行验证，姿态角测量误差在1o之内，位移测量误差在0.5mm之内。实验结果表明该系统能够应对运动参数测量系统的位姿精度要求

4、，具有一定的实用价值。本文最后进行测试实验，获得样机姿态对舵翼偏角的动态响应数据，分析舵翼的控制特性，为舵翼设计与运载器位姿控制系统的设计提供数据支持；分析了测试系统的误差来源，为今后工作的改进指出方向。关键词：无动力运载器，仿真分析，单相机视觉，SfM三维重建，位姿测量IIIABSTRACTWiththecontinuousdevelopmentoftechnologies,UAVdeliverysystemhaswideapplicationprospects.Inthispaper,thenumeri

5、calsimulationandtheoreticalderivationofno-powercarrierinthefallstagearecarriedout.Airflowsimulationtestenvironmentissetupandamonocularmeasurementmethodusingthree-dimensionalreconstructionisproposedtorecordtheposeadjustmentprocessofthecarrier.Then,Airflowsi

6、mulationsystemanalyzesposedata,andprovidestheoreticalandtechnicalbasisforthedesignofairborneattitudeadjustmentsystemfornopowercarriersinthefuture.Onthebasisofguidedbombcontroltheory,whichissimilartoUAVdeliverysystem,theaerodynamiclayoutandaerodynamicparame

7、tersofno-powercarrierareanalyzedbyfiniteelementnumericalsimulationmethod.Thesixfreedomrigidbodymotionmodelisbuildandislinearizedaccordingtothemotioncharacteristic.Onthebasisofthemodel,thefeasibilityofpositioncontrolusingrudder-wingisanalyzed.Theprototypeof

8、thecarrierissetupandexternalsimulationenvironmentisbuilt.Thevelocityrangeoffallingmotionisestimatedbywaysofsimulation.Andthewindspeedofthesimulationenvironmentisset.Inordertoextracttheposturechangeofthecarrie