基于ARM处理器的四旋翼无人机自主控制系统研究

为实现四旋翼无人机的自主飞行控制,设计并搭建了四旋翼无人机的硬件飞行控制平台.该平台采用自行组装的四旋翼飞行器作为本体,航向姿态参考系统(AHRS)MTi-G单元作为主要机载传感器,ARM嵌入式系统芯片作为主控制器,AVR单片机作为超控单元.基于四旋翼无人机的非线性动态模型,采用内外环结构的PD控制算法,构造了无人机的位置与姿态跟踪控制器.实现了四旋翼无人机滚转角、俯仰角和水平纵向、横向位置共四个自由度的自动控制.实验结果表明,本文提出的机载控制系统设计取得了较好的飞行控制效果.     

基于FFT的概率神经网络故障诊断模型

无人机的执行器和传感器系统受到材料与环境等诸多因素的影响, 容易发生各类故障, 严重时甚至会造成坠机, 因此实现无人机早期故障的有效诊断对预防飞行事故具有重要意义. 本文以六旋翼无人机Simulink模型作为研究对象, 针对飞行器电机和角速度传感器的早期故障, 提出了一种基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）的概率神经网络故障诊断模型. 首先, 在Simulink平台上对六旋翼无人机进行飞控模型的建立; 然后采用FFT对数据进行有效的时频分析; 最后基于MATLAB设计并建立概率神经网络模型, 利用FFT数据进行故障分类, 实现无人机的故障诊断.     

基于MS5540C的无人机高度传感器设计

飞行高度是无人机飞行控制中重要的控制参数.针对传统高度测量系统的缺陷,设计并实现了具有温度补偿功能的高度传感器.该高度传感器具有体积小、质量轻、数据稳定、响应速度快等优点,特别适合微小型无人机的使用.经过某小型无人机飞行试验,该传感器完全可以达到精确测量飞行高度的要求.     

无人机遥感植被覆盖度提取方法研究综述

在介绍了无人机平台及携带的多种传感器的基础上,总结了无人机遥感提取植被覆盖度的算法,并将算法分成了三大类:颜色空间法、植被指数法和机器学习分类法;针对无人机遥感提取植被覆盖度所存在的问题及发展趋势进行了讨论.结果表明:颜色空间法能有效消除无人机图像中亮度和饱和度等因素的干扰;植被指数法原理简单,且具有良好的精度,是应用最广泛的方法;机器学习分类法适用于不同传感器获取的图像且提取精度高.     

视频跟踪四旋翼飞行器创新实验系统

提出了一种具有视频跟踪功能的四旋翼飞行器创新实验系统设计方案,通过搭建小型四旋翼无人机飞行平台和人机界面,使其能够将远程视频信号和传感器采集信号无线传输至上位机,结合数字图像处理技术与基于AVR单片机的电机控制、数据处理等功能,实现其自主飞行模式、预订高度悬停功能、飞行器的远程控制、视频信号处理和整体系统的无线通讯。     

基于集中式控制的多个无人飞行器编队

设计了多个四旋翼无人机在静态环境中编队的控制系统,控制架构采用集中式节点控制.该系统在开源机器人操作系统上实现,每个飞行器会接收到自身的准确坐标,并设置虚拟点控制每个无人机和虚拟点保持稳定的相对位置,从而使无人机集群编队移动.同时,系统结合无人机的激光传感器开发避障功能.最后,计算机仿真结果证明了集中式的节点控制可以稳定、快速实现多个四旋翼无人机的编队控制.     

基于EKF的无人机飞行控制系统故障检测

无人机飞行控制系统是一种典型的多传感器闭环控制系统,其执行机构与传感器故障会严重影响系统的安全性与可靠性,针对无人机飞行控制系统故障检测问题的研究具有重要的意义.本文考虑了一类无人机闭环非线性飞行控制系统的故障检测问题,针对风扰动影响下无人机纵向非线性系统模型,设计基于扩展卡尔曼滤波器的残差产生器,并应用χ2检验对残差进行评价,实现无人机闭环控制系统的故障检测.同时,基于某型无人机Simulink仿真平台进行仿真实验.结果表明,所提出的方法能够实现空速管堵塞故障和升降舵部分失效故障的检测.     

基于ZigBee的传感器实验平台改造及应用

针对传感器实验设备功能单一、移动性差等问题,分析江汉大学传感器与检测技术实验平台的结构特点,设计了一种基于ZigBee技术的传感器实验平台。该实验平台是在现有传感器实验平台上进行改进,通过增加ZigBee无线通信功能,使其同时满足传感器技术和无线传感器网络两门课程实验教学的需求。该系统由传感器实验模板、ZigBee终端节点、ZigBee汇聚节点和PC机组成,各终端节点连接不同的传感器模板,将采集的数据通过ZigBee无线网络传送给汇聚节点,并最终传送给PC机观测。在介绍该实验平台的软硬件设计之后,以基于ZigBee的无线应变传感器实验为例,详细介绍了如何利用该平台开展实验项目。结果证明,该实验平台数据传输可靠,满足实验教学需求。     

四旋翼无人机滑模-CPCMAC联合控制半物理仿真系统

针对四旋翼无人机强耦合、欠驱动、非线性等特点,以及在实际飞行过程中极易受到干扰的问题,对四旋翼无人机动力学模型进行分析,提出了一种基于联合的四旋翼无人机姿态控制算法,并在此基础上设计了四旋翼无人机半物理仿真系统。首先,针对非线性系统设计滑模控制器,选择跟踪航迹和翻滚角设计位置控制率和姿态控制率。其次,滑模控制器在实际应用中易产生震荡,利用基于信用积分的小脑模型神经网络(CPCMAC)来学习滑模控制的方式。最后,搭建基于LabVIEW的控制站,同Matlab/Simulink进行数据收发控制。仿真结果表明,在跟踪目标相同时,提出的四旋翼无人机滑模-CPCMAC联合控制相比于传统的比例积分微分(PID)控制和积分反步法控制优势明显,能够抑制超调和余差,在快速性和鲁棒性方面都更加优越。同时,构建的四旋翼无人机半物理仿真平台能清晰反馈出无人机参数的变化,应用预留的参数接口和地面控制站,降低了无人机飞控算法的开发难度,提高了开发效率,具有明显的实用价值。     

基于金字塔LK光流法及超声传感的微型无人机障碍识别优化研究

针对在有雾或能见度低的情况下,传统的光流算法在微型无人机障碍物辨识过程中准确性低、适应性差等问题,采用了一种基于金字塔LK光流法结合超声传感的避障方法。主要进行金字塔分布式检测,经超声波传感器探测目标,用测得的光流数据与IMU值融合后进行Kalman滤波处理,与设定的阈值进行比较,判断是否为障碍物,以提高微小型无人机障碍物辨识准确性。通过搭建无人机试验平台,对实验结果进行比较、分析,验证了方法的可行性。     

基于四元数互补滤波的无人机姿态解算

针对无人机低成本姿态解算这一基本问题,考虑到传统姿态算法运算量大、不易调试,采用微惯性单元(MEMS)测量无人机原始姿态数据,采用基于四元数的互补滤波算法,有效降低姿态解算的运算量,实现MEMS各传感器的信息融合。从理论上证明了基于四元数的互补滤波器的稳定性,分析了滤波器的性能。采用无人机真实数据验证了算法的有效性,解算得到的俯仰角、滚转角精度小于1°,航向角精度小于2°。与传统姿态算法比较,本算法简单有效、运算量小、易于调试。     

树障清理机器人的设计与实现

针对环境复杂的区域,高大树木、复杂地形等问题容易造成用电危险,而传统的人工清理树障的方法易造成安全事故,我国现有研发的机器人具有空中姿态控制不稳定以及数据传输不稳定等问题,对树障清理空中机器人进行了设计和实现.该机器人的结构组成主要包括多旋翼无人机、控制系统、远程监控系统、通信系统和刀具装置.通过确定地面坐标系和无人机坐标系的关系,建立空中机器人的动力学模型.充分考虑环境等因素对空中机器人传感器采集数据的影响,建立了传感器的数据融合算法,对传感器采集数据进行处理.采用PID(Proportion Integral Differential)控制方法对空中机器人的姿态控制器进行设计.为了验证该树障清理空中机器人的性能,对其进行了姿态控制试验和树障清理试验.试验结果表明机器人的姿态控制响应时间较短,最短可达1.2 s.在进行树障清理时,最大可清理树障直径约为4 cm,切割最长时间为3 s.     

无人机赋能临海通信系统：机遇与挑战

无人机被广泛应用于各种商用/民用领域,并有望在未来十年带来巨大的价值和广阔的商机.在无线网络如4G/5G乃至6G及其新技术的支持下,无人机能够高效地完成空中监测、空中摄像、搜索和救援等任务.特别地,无人机作为空中通信平台/用户的相关应用是近几年的研究热点,而现有的大多数研究集中在陆地环境.本文针对临海通信系统,系统阐述无人机在涉海应用中的前景与挑战.首先介绍无人机类型及应用场景、通信链路和信道特性,然后讨论临海空间中无人机在方位部署、路径规划、能量效率、通信覆盖、干扰控制、远距离数据回传等方面的问题与机遇.最后考虑风对临海无人机通信的影响,以海上浮标数据收集为例,设计了一种无人机循环飞行轨迹,其能够主动适应/利用海风实现高效节能通信.通过系统介绍、问题凝练与案例分析,指引无人机赋能临海通信系统设计.     

基于蒙特卡罗的单无人机侦察平台误差修正方法研究

为满足舰炮武器系统对目指精度的要求,建立了一种以小型无人机为中继站的目标定位模型。主要是以无人平台上搭载的电视图像传感器与激光成像雷达传感器相结合进行共轴探测,通过对无人机视场范围内的显著地形地貌进行标记,完成坐标转换,消除无人机自身定位误差及随机误差。通过传统无人机目标定位和所提方法的对比,对同一目标进行定位。结果表明,提出的方法在目指精度上有了较大提高。     

一种小型旋翼无人机平台的设计及飞行验证

研究了具有航拍和图像识别功能的旋翼无人机平台设计及工程实现方法。从直升机总体设计的理论出发,介绍了该旋翼无人机平台的设计及试飞验证过程。提出了总体方案及总体布局。在现有模型直升机的基础上,进行了旋翼与整机的匹配、球形云台的设计、动力系统的选择,及各种传感器的集成等方面的设计,并最终经过外场试飞实验验证设计的可行性。为进一步研究小型无人直升机提供了参考。     

基于结构特征和稀疏表示的多模态遥感图像配准研究

我校计算机与信息技术学院樊建伟博士 2020 年获批国家自然科学基金青年项目:基于结构特征和稀疏表示的多模态遥感图像配准研究.项目批准号:62002307. 随着对地观测平台和多传感器的不断应用,多模态遥感数据日益丰富,如合成孔径雷达(SAR)图像、可见光图像、红外图像等.不同模态图像间存在着一定的差异性和互补性.因此...     

微型无人机稳定平台的设计

提出了一种微型无人机稳定平台的设计方法,可满足微型无人机对任务栽荷体积和质量达到稳定性和微型化的要求,可应用于机器人、无人机等稳定系统.     

智能穿戴式复健数据追踪与辅助诊疗平台

为了解决物理治疗师和复健者难以保持高效长期联系的问题,本项目拟搭建智能穿戴式复健数据追踪与辅助诊疗平台.首先通过理论研究,将整个项目分为硬件模块、平台模块、算法模块和软件模块.硬件模块由可穿戴传感支具和体感交互设备组成,能够通过传感器将训练数据采集后发送到云端存储;平台模块为复健者与治疗师搭建沟通桥梁;算法模块和软件模...     

基于平方根容积卡尔曼滤波的四旋翼无人机的姿态解算

为了提高四旋翼无人机姿态解算的精度,提出了基于平方根容积卡尔曼滤波(square-root cubature Kalman filter,SCKF)的多传感器数据融合策略。基于加速度计、磁力计和陀螺仪输出的数据,采用了四元数的姿态解算方法,避免了单一传感器获得的姿态角误差过大的问题,解决了扩展卡尔曼滤波(extend Kalman filter,EKF)精度低以及无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)、容积卡尔曼滤波(cubature Kalman filter,CKF)协方差矩阵正定性丧失的问题。设计了基于pixhawk飞控板的实验方案。通过实验数据表明,与传统的EKF、UKF、CKF算法相比,SCKF的精度最高。且与UKF、CKF算法相比,SCKF具有计算时间少、数值计算稳定性强等优势。     

基于无人机巡检平台的劣化绝缘子带电检测技术

绝缘子是输电线路中起到机械支撑及电气连接的重要部件,一旦发生本体劣化,可能导致断串、绝缘失效等严重故障,对电网的稳定运行造成威胁。绝缘子串的空间电场曲线能够反映其绝缘性能,早期大多通过人工登塔操作检测仪器测量得到空间电场值,随着无人机技术的迅猛发展,搭载各类检测仪器的无人机在电力系统的应用越来越广泛。采用高集成度光学元件,设计完成小型化的空间电场传感器,分析了无人机介入对绝缘子原有空间电场的影响。搭建了包括机载端和地面端的无人机巡检平台,配套研制基于A/D转换模块和射频模块的电场信号无线传输装置,实现了无人机巡检平台电场测量信号在机载端与地面端的传输,并进行了复合绝缘子芯棒局部导通的带电检测试验。实验证明基于无人机巡检平台的电场测量系统能够检测出复合绝缘子芯棒导通缺陷。研究结果有利于推进无人机平台在绝缘子检测领域的应用。