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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于非線性視覺(jué)模擬耦合自主飛行控制技術(shù)與體3D慣性制導(dǎo)原理的廉價(jià)四旋翼無(wú)人機(jī)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本小型四旋翼無(wú)人機(jī)，具備VTOL飛行器的所有優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。軍事上可應(yīng)用于情報(bào)獲取、地面戰(zhàn)場(chǎng)偵察和監(jiān)視、近距離空中支持和禁飛巡邏、電子戰(zhàn)、通信等方面；在民用方面一樣大有可為，如重大自然災(zāi)害之后的搜索與救援，巡邏監(jiān)視和目標(biāo)跟蹤，緝毒和反走私，地震后路段、高壓線、大橋和水壩的檢查，航拍和成圖等?？傊⌒退男頍o(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)的研究，從理論和工程的角度來(lái)看都具有重要意義。
- 詳細(xì)介紹：
- 在小型四旋翼無(wú)人機(jī)和地面移動(dòng)跟蹤系統(tǒng)上分別安裝全景攝像機(jī)，進(jìn)行雙向?qū)崟r(shí)同步三維運(yùn)動(dòng)空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，用高速AD將全景攝像機(jī)獲取的環(huán)境視覺(jué)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)PC104工控算機(jī)對(duì)其進(jìn)行模糊化、離散采樣、二值化、細(xì)化等處理（進(jìn)行非線性處理），提取被采集空間上的體3D像素坐標(biāo)、慣性運(yùn)動(dòng)參數(shù)等數(shù)據(jù)，建立笛卡爾坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡方程。 “體3D慣性制導(dǎo)系統(tǒng)”即將體3D像素?cái)?shù)據(jù)與捷聯(lián)式慣導(dǎo)【“捷聯(lián)（Strap down）”這一術(shù)語(yǔ)的英文原義就是“捆綁”的意思。因此，所謂捷聯(lián)慣性系統(tǒng)也就是將慣性敏感元件（陀螺和加速度計(jì)）直接“捆綁”在運(yùn)載體的機(jī)體上，從而完成制導(dǎo)和導(dǎo)航任務(wù)的系統(tǒng)。】數(shù)據(jù)相融合——將非線性視覺(jué)所得到的笛卡爾坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡方程結(jié)果與捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的信號(hào)通過(guò)模擬方式耦合后進(jìn)行傅立葉變換，使用 增益和無(wú)源化方法變換后得出精確控制無(wú)人機(jī)飛行速度和姿態(tài)角的數(shù)據(jù)，從而對(duì)無(wú)人機(jī)的位置進(jìn)行雙方式雙向?qū)崟r(shí)定位。這種控制方式不僅不易受到外界干擾，而且在機(jī)載GPS系統(tǒng)失效后（GPS導(dǎo)航衛(wèi)星遭受打擊或GPS數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)盏絿?yán)重干擾等），無(wú)人機(jī)仍能精確制導(dǎo)。整個(gè)系統(tǒng)成本低廉，適合廣泛推廣應(yīng)用。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 我們?cè)O(shè)計(jì)了一款小型四旋翼無(wú)人機(jī)，在它上面安裝全景攝像機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)同步三維圖像采集和傳輸。“體3D慣性制導(dǎo)系統(tǒng)”即將體3D像素?cái)?shù)據(jù)與捷聯(lián)式慣導(dǎo)數(shù)據(jù)相融合——將非線性視覺(jué)所得到的笛卡爾坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡方程結(jié)果與捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的信號(hào)通過(guò)模擬方式耦合后進(jìn)行傅立葉變換，使用 增益和無(wú)源化方法變換后得出精確控制無(wú)人機(jī)飛行速度和姿態(tài)角的數(shù)據(jù)，從而對(duì)無(wú)人機(jī)的位置進(jìn)行雙方式雙向?qū)崟r(shí)定位。這種控制方式不僅不易受到外界干擾，而且在機(jī)載GPS系統(tǒng)失效后（GPS導(dǎo)航衛(wèi)星遭受打擊或GPS數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)盏絿?yán)重干擾等），無(wú)人機(jī)仍能精確制導(dǎo)。整個(gè)系統(tǒng)成本低廉，適合廣泛推廣應(yīng)用?？蓱?yīng)用于重大自然災(zāi)害之后的搜索與救援，巡邏監(jiān)視和目標(biāo)跟蹤，緝毒和反走私，地震后路段、高壓線、大橋和水壩的檢查，航拍和成圖等?？傊?，小型四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)的研究，從理論和工程的角度來(lái)看都具有重要意義。 創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)關(guān)鍵： 1.體3D像素坐標(biāo)采集 ； 2. 對(duì)非線性視覺(jué)所得到的笛卡爾坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡方程結(jié)果與捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的信號(hào)通過(guò)模擬方式耦合后進(jìn)行傅立葉變換； 3. 增益和無(wú)源化方法。 原型機(jī)βv0.90已達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)： 1. 80cm×80cm方形框架； 2. 電機(jī)直徑28.0 mm；旋翼直徑20cm； 旋翼厚度2mm； 3. 飛行器質(zhì)量1000g； 4. 采用3600mah鋰電池組； 5. 有效載荷500g；續(xù)航時(shí)間0.4h； 續(xù)航半徑10km； 6.平均飛行速度40km/h；升限800 m。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 飛行控制問(wèn)題是微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)研制的關(guān)鍵問(wèn)題，主要有三個(gè)方面的困難。首先，對(duì)其進(jìn)行精確建模非常困難。飛行過(guò)程中，它不但同時(shí)受到多種物理效應(yīng)的作用，而且還很容易受到氣流等外部環(huán)境的干擾。因此，很難獲得準(zhǔn)確的氣動(dòng)性能參數(shù)，難以建立有效、準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型。其次，微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)是一個(gè)具有六個(gè)自由度，而只有四個(gè)控制輸入的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合和干擾敏感的特性，使得飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常困難。再次，利用慣性測(cè)量單元信息，通過(guò)狀態(tài)估計(jì)方法獲得必要的狀態(tài)反饋是實(shí)現(xiàn)自主飛行控制的一大工程難點(diǎn)。而我們所研制的系統(tǒng)對(duì)于精確建模有了進(jìn)一步的提升，降低了非線性、強(qiáng)耦合和敏感度，在狀態(tài)估計(jì)方法上做了進(jìn)一步的改進(jìn)，使我們的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)在此領(lǐng)域中有了進(jìn)一步的突破。 我們研制的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集合了原有飛行器的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自主控制飛行，并且有重量輕、尺寸小、速度快、能耗低和成本低的優(yōu)點(diǎn)。這樣無(wú)論是將其應(yīng)用在任何領(lǐng)域，都將克服其他國(guó)家同類產(chǎn)品價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品2009年4月通過(guò)鑒定,2009年6月獲“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽省一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 已作出實(shí)物模型，可以現(xiàn)場(chǎng)展示。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 獨(dú)家轉(zhuǎn)讓。
作品可展示的形式
- 實(shí)物模型現(xiàn)場(chǎng)展示。
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 該四旋翼飛行器是自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)單。非線性視覺(jué)模擬耦合自主飛行控制技術(shù)與體3D慣性制導(dǎo)原理的引入，提高了測(cè)量精度，并實(shí)現(xiàn)了雙方式的自主懸停。因此，該小型四旋翼飛行器特別適合在近地面環(huán)境中執(zhí)行監(jiān)視、偵察等任務(wù),具有廣闊的軍事和民用前景;與此同時(shí),它還是火星探測(cè)無(wú)人飛行器的重要研究方向之一 ;另外,新穎的外形、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、低廉的成本、卓越的性能以及獨(dú)特的飛行控制方式使其對(duì)廣大科研人員具有很強(qiáng)的吸引力,成為國(guó)際上新的研究熱點(diǎn)。 預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，小型四旋翼飛行器技術(shù)會(huì)逐步走向成熟，它的飛行控制、任務(wù)規(guī)劃、GPS 導(dǎo)航、視覺(jué)和通信等子系統(tǒng)將會(huì)得到進(jìn)一步完善,從而具備自主起降和全天候抗干擾穩(wěn)定飛行的能力。 據(jù)了解，本產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的軍事、治安、交通等方面將會(huì)有很大的需求量。同時(shí)該產(chǎn)品能在節(jié)省成本的同時(shí)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)利益，例如現(xiàn)在的小型無(wú)人機(jī)成品均來(lái)自國(guó)外，我們無(wú)人機(jī)的研制成功將給為我國(guó)飛機(jī)類產(chǎn)業(yè)開(kāi)辟新的市場(chǎng)。 綜上，該裝置在國(guó)內(nèi)外均具有廣泛的適用性和推廣價(jià)值。
同類課題研究水平概述
- 國(guó)內(nèi)： 目前，北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等學(xué)校都進(jìn)行了相關(guān)研究，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控短時(shí)間飛行。飛機(jī)的穩(wěn)定性有待提高，相關(guān)的研究尚處在起步階段。 國(guó)外： 佐治亞理工大學(xué)面向火星探測(cè)任務(wù)而設(shè)計(jì)的CAD 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)GTMARS。它重20kg ,旋翼半徑0.92m,續(xù)航時(shí)間30min。折疊封裝的GTMARS 隨四面體著陸器登陸火星后,能自動(dòng)將機(jī)構(gòu)展開(kāi);能自主起飛和降落,巡航速度可達(dá)72ｋｍ／ｈ;另外,它還能返回到著陸器補(bǔ)充能量(著陸器裝載有太陽(yáng)能電池) 。 美國(guó)斯坦福大學(xué)的Mesicoptet.它是一種厘米尺寸大小的微型直升機(jī)。其前期工作階段主要是研究空氣動(dòng)力學(xué)特性、對(duì)旋翼翼型做優(yōu)化設(shè)計(jì)、研究微型旋翼的加工方法、完成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在一竿臂上的離地起飛。進(jìn)一步工作是完成自主飛行和多個(gè)飛行器協(xié)助完成具體任務(wù)。該飛行器的四個(gè)螺旋槳分別由直徑3mm，重325毫克的微電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)螺旋槳直徑為1.5cm，厚度僅0.88mm，機(jī)身為16×16mm的方形框架。 日本KEYENCE公司研制的ENGAGER ＧＳⅢＥ－７７０飛行器通過(guò)壓電陀螺進(jìn)行三軸控制，并允許自由傾斜，可以在無(wú)線遙控下飛行三分鐘。該飛行器長(zhǎng)５００ｍｍ，寬４００ｍｍ，高１２０ｍｍ，重３００ｇ，采用重約１２０ｇ，７．２Ｖ，５５０ｍａｈ的鎳鎘電池組。 國(guó)外在無(wú)人機(jī)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和研制的過(guò)程中，有許多設(shè)計(jì)采用了很高的成本，并且耗時(shí)很長(zhǎng)，直接導(dǎo)致產(chǎn)品的使用價(jià)格過(guò)高，限制了產(chǎn)品推廣和普及，隨著全球經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，四旋翼無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)空間將更加廣闊。然而，過(guò)大的成本和過(guò)高的使用費(fèi)用，大大制約了該產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛使用。 綜上所述，目前國(guó)內(nèi)此類研究尚處在起步階段，市場(chǎng)的巨大需求空間與產(chǎn)品過(guò)高的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本之間的巨大反差，制約了此類產(chǎn)品的發(fā)展，因此，研制開(kāi)發(fā)出成本更低，功能更完善的國(guó)人自己的四旋翼飛行器，勢(shì)必會(huì)在社會(huì)中占據(jù)有利的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
