1、硕士毕业论文（20 届）室内小型四旋翼无人机的姿态与位置控制所在学院 专业班级 控制工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - I - 独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日 期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许
2、论文被查阅和借阅。本人同意东北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、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年 一年 一年半 两年学位论文作者签名： 导师签名：- II - 签字日期： 签字日期：III室内小型四旋翼无人机的姿态与位置控制摘 要地震、火灾等自然灾害具有突发性特点，灾害应急救援的关键是灾害发生后的快速反应。及时快捷的灾情信息对于及时制定救援策略，提高救援效率和质量起着至关重要的作用。由于四旋翼无人机良好的机动性和灵活性，四旋翼在灾难救援活动中逐步显示出巨大的优势。然而,灾害现场室内环境复杂多变而难以预知，给无人机自主导航和探索带来了很大的困难。本
3、文针对未知室内环境研究无人机姿态与位置控制方法，为无人机在未知室内环境中自主探索提供现实的可能性。本文首先对题目相关技术的国内外研究现状进行了深入的分析。在此基础上，对小型四旋翼无人机进行了运动学和动力学研究，建立了动力学和运动学模型。同时阐释了两种典型的对室内小型四旋翼无人机飞行影响较大的空气动力学现象，说明了这两种现象对无人机飞行的影响和它们在无人机控制系统研究中的作用，为后续章节中的理论分析部分和滤波器设计等问题奠定了理论基础。其次，本文研究了小型四旋翼无人机的姿态检测和控制方法。通过对多种姿态检测传感器的数据进行融合，提高了无人机姿态检测的实时性和精度，并构建了基于Arduino 的无
4、人机姿态控制系统。实现了闭环的小型四旋翼无人机的姿态控制。在悬停状态下，无人机姿态控制误差约为 ，存在周期约为 0.5s 的震动。2再次，本文实分析了基于 ROS 的小型四旋翼无人机的室内未知环境中的位置检测算法，包括单目视觉方法，立体视觉方法和激光雷达测距方法，并展开了实验研究。通过对几种算法的比较，确定了室内小型四旋翼无人机的定位算法，在定位的同时生成室内地图，为无人机在未知室内环境中进行探索和救援提供了现实的可能。在此基础上，本文完成了四旋翼无人机的位置控制系统，并进行了室外依靠 GPS 的位置控制实验，控制误差可以控制在 2m 以内，证明了位置控制器的有效性。最后，本文将位置检测、位置
5、控制、姿态检测和姿态控制四个部分整合到一起，设计了更加完善的四旋翼无人机机体，提出了一种未知环境中自动探索的路径规划算法，形成了室内小型四旋翼无人机系统，并进行了相关的实验。在没有 GPS 辅助定位的室内环境中，无人机位置控制的精度可以达到 ，在长达 5 分钟的自主位置控制1IV实验中，没有观察到明显的位置漂移。实验结果表明，完全自主的四旋翼无人机可以用于位置室内环境的建图与探索。关键词：室内环境；四旋翼无人机；姿态与位置控制；ROS 操作系统VPosition and Attitude Control for a Indoor Mini Quadrotor UAVAbstractNatura
6、l disasters such as Earthquakes and fires burst out all in sudden, response after the disaster rapidly is the key to rescue, and timely and efficient information is the key to response after the disaster. Quadrotor in disaster rescueing has a great advantage as the good mobility and flexibility. How
7、ever, indoor environmental after disaster are complex and hard to predict, for UAV navigation and exploration, great difficulties are encountered. Aiming the unknown indoor environments, study of the positioning and attitude control for the quadrotor makes exploreing in unknown indoor environments p
8、ossible.Firstly, the current studies on the related technology were introduced. On this basis, a Mini quadrotor kinematics and dunamics were studied and models were builded. Two main aerodynamic phenomenon and its affect on control system of quadrotor were illustrated which lays a theoretical founda
9、tion for the subsequent chapters. Secondly, the paper studies the attitude detection and control methods of small quadrotor. Through fusion of variety of alttitude sensor, timeliness and accuracy were improved. Quadrotor attitude control system was constructed based on the Arduino. In the hovering,
10、Quadrotor attitude control has an error about 2, vibration period of about 0.5s.Then, with the base of ROS, positioning and mapping of indoor unknown environment algorithms were experimental studied, including monocular vision, stereo vision and laser radar methods. Through the comparison of several
11、 algorithms,the algorithm for mini quadrotor indoor positioning were resolved, that enabled the quadrotor to explore and rescue in unknown indoor environment. A quadrotor position control system were builded, and rely on the GPS positioning such control system were proved by experiment.Finally, the
12、position detection, position control, attitude detection and attitude control were made up into a quadrotor control system, a better quadrotor airframe were designed, and a path planning algorithm for automatic discovery of unknown environments were proposed. Related experiments in unknown environme
13、nt without GPS shows that the quadrotor position control accuracy of about 1m, for up to five minutes no significant position drift were VIdetected.Experimental results show that fully autonomous quadrotor UAV can be used in exploration and mapping the unknown indoor environment.Key words: Indoor; q
14、uadrotor; Attitude and position control; ROS目 录独创性声明 .I摘 要 .IIIAbstract .V第 1 章 绪 论.11.1 课题研究背景、目的及意义.11.2 国内外研究现状.21.2.1 国外研究现状.21.2.2 国内研究现状.41.3 论文研究内容与章节安排.61.3.1 论文研究内容.61.3.2 论文章节安排.6第 2 章 四旋翼无人机的空气动力学分析.92.1 四旋翼无人机的基本原理.92.2 理想情况下四旋翼无人机模型.112.2.1 理想情况下四旋翼无人机刚体运动学模型.112.2.2 理想情况下四旋翼无人机动力学模型.12
15、2.3 四旋翼无人机中主要的空气动力学效应.132.3.1 桨叶挥舞运动.142.3.2 诱导阻力.162.4 本章小结.17第 3 章 无人机机载姿态控制系统.193.1 无人机姿态控制系统的和核心控制器.193.2 小型四旋翼无人机的飞行姿态检测.203.2.1 基于陀螺仪的飞行姿态检测.223.2.2 基于加速度传感器的飞行姿态检测.233.2.3 基于地磁计的飞行姿态检测.233.3 四旋翼无人机的飞行姿态数据融合与滤波.243.3.1 互补滤波器.253.3.2 卡尔曼滤波器.263.4 四旋翼无人机的飞行姿态控制器设计与实现.293.5 本章小结.36第 4 章 基于 ROS 的无
16、人机位置控制系统.374.1 基于 ROS 的室内未知环境中无人机定位方案探究 .374.1.1 基于 PTAM 的单目摄像头 SLAM 研究 .384.1.2 基于 Kinect 的 RGBD-SLAM 研究 .434.1.3 基于激光雷达的 Hector-SLAM 研究 .454.1.4 多种室内未知环境中的定位方法比较.504.2 无人机位置控制器的分析与实现.514.2.1 无人机位置控制器的理论分析.514.2.2 无人机位置控制器的实现与室外飞行实验.524.3 本章小结.54第 5 章 四旋翼无人机的实现与飞行实验.555.1 室内小型四旋翼无人机的软件组成.555.1.1 地面站中的无人机控制软件组成.565.1.2 机载 Raspberry PI 计算机中的软件组成 .575.1.3 机载 APM 飞控板中的软件组成 .595.2 无人机的硬件系统搭建.595.2.1 无人机的动力与供电系统.605.2.2 无人机机载数据链路.605.2.3 无人机的机械结构设计.615.3 无人机在室内环境中的位置与姿态控制实验.635.3.1 无人机在 Gazebo 仿真室内换进中的飞行实验 .635.3.2 无人机在真实室内环境中的飞行实验.645.4 本章小结.67第 6 章 总结与展望.696.1 总结.696.2 展望.69参考文献.71致谢.75
