基于Radar-scanner/INS的微小型旋翼无人机室内组合导航与控制的研究

【摘要】室内导航系统是微小型旋翼无人机实现室内飞行控制的重要环节。在室内环境中,无法使用GPS/INS组合导航系统,为此,本文设计了一种基于Radar-scanner/INS的室内组合导航方案,并对四旋翼平台进行建模和控制器的设计。论文的主要工作及贡献如下：首先选择四旋翼为实验平台,综合考虑成本、功能、性能和负载等因素,搭建适合于导航与飞行控制系统的硬件平台,并设计开发软件系统。随后提出一种基于Radar-scanner/INS的室内导航方案。为提高算法的实时性,采用基于EKF的D&CSLAM算法配合激光雷达传感器实现室内定位和构图；对由激光雷达数据组成的轮廓地图进行特征提取,用于特征配对；在D&CSLAM算法中加入扫描匹配(ScanMatching),融合INS和激光雷达数据,以提高状态更新值的精度,同时在扫描匹配过程中提出启发性逻辑来筛选激光雷达数据,以提高算法对因姿态变化而引起的轮廓地图波动的抗干扰性；在基于JCBB的特征匹配过程中借助扫描匹配的结果和特征匹配的传递性提出精度较高的引导配对,以提高在三维动态环境中特征配对的准确性；最后,将D&CSLAM与INS进行基于EKF的组合滤波,给出无人机的状态估计。为验证D&CSLAM/INS室内组合导航系统能够用于实际的飞行控制,本文以四旋翼为对象,在悬停点附近建立了四通道对象模型：俯仰通道、横滚通道、偏航通道和垂直通道,接着根据模型特性建立四通道PID串级控制器,并结合控制算法、控制期望和实际飞行结果,对控制器的参数进行整定。最后在四旋翼平台上设计了三组实验,首先是基于GPS/INS的室外飞行控制实验,内环跟踪控制响应比较迅速,外环阶跃响应的动态性能也能达到预期要求,航线飞行的实际结果与预设航线基本一致,表明飞行控制系统能够用于实际的四旋翼平台；接着在无动力状态下,进行D&CSLAM的定位性能实验以及D&CSLAM/INS与GPS/INS的对比实验,D&CSLAM的定位误差和构图误差均不超过10cm,有较高的定位精度,D&CSLAM/INS与GPS/INS的水平位置估计差值方差为0.02m2和0.05m2,区别不大；最后是基于D&CSLAM/INS的室内飞行控制实验,能够自主起飞、悬停并且前飞,悬停精度可达0.2m,验证了D&CSLAM/INS室内组合导航系统能够应用于实际的飞行控制系统。
【作者】孔天恒；
【导师】李平；方舟；
【作者基本信息】浙江大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】微小型旋翼无人机；室内组合导航；D&CSLAM；特征提取和匹配；PID串级控制；

【参考文献】
[1]章浩芳.网络游戏顾客价值感知要素实证研究[D].浙江大学,2006.
[2]沈洞天.附件机匣传动系统中滚动轴承及齿轮轴的可靠性分析[D].东北大学,机械制造及其自动化,2009,硕士.
[3]顾德文（FefeghaInimeyaGodwin）.联合国在调解非洲领土争端中的作用[D].吉林大学,国际关系,2014,硕士.
[4]王冲.次生林生境中鼠类对不同林木种子命运的影响[D].郑州大学,动物学,2013,硕士.
[5]苏虹.失恋个体的认知和情绪时间进程特征及原因研究[D].河北大学,发展与教育心理学,2014,硕士.
[6]首皓,姚逢昌,曹宏,刘洪.基于共炮偏移与谐波分解的AVO反演[J].石油地球物理勘探,2009,01:38-42+130+5.
[7]王聪1,司文杰1,文彬鹤2,张明明3,王勇3,侯安平4.轴流压气机旋转失速建模与检测II:基于北航低速压气机试验台的实验研究[J].控制理论与应用,2014,10:.
[8]朱麒名.我国监狱管理体制改革研究[D].中国地质大学（北京）,宪法学与行政法学,2013,硕士.
[9]刘晓梅,方建,张婧,林吴颖,樊廷录,冯虎元.长期施肥对麦田土壤微生物垂直分布的影响[J].植物生态学报,2009,02:397-404.
[10]杨琦.基于TPACK提升师范生教学媒体应用能力的行动研究[D].华中师范大学,教育技术学,2014,硕士.
[11]牛立飞.危岩落石与土体的相互作用研究[D].西南交通大学,道路与铁道工程,2014,硕士.
[12]安成万,张永谦,谭民.分裂-合并竞争学习的研究[J].控制与决策,2005,11:31-36.
[13]段宜君.呼市城发金河物流园发展战略研究[D].内蒙古大学,工商管理,2014,硕士.
[14]龙博.基于博弈论视角的“体育、艺术2+1项目”实现路径研究[D].湖南师范大学,体育人文社会学,2014,硕士.
[15]易华容,任海燕.关联规则的开采算法在文本分类中的应用[J].株洲师范高等专科学校学报,2003,02:33-35+39.
[16]覃小旅.语义网技术在电子商务中的应用[J].科技管理研究,2005,12:286-289.
[17]邵锦挺,应国清,王琦,梅建凤,王鸿,易喻.微型化DNS法测定多糖水解液中还原糖的质量浓度[J].浙江工业大学学报,2012,03:250-252.
[18]曹天书.TDLAS气体检测中二次谐波的锁相放大器的研究[D].吉林大学,集成电路工程,2013,硕士.
[19]刘海昕.建筑企业工程物资仓储管理系统设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[20]李春宏.军用重型车辆楔式制动器研究[D].南京理工大学,兵器工程,2012,硕士.
[21]刘爱勤.贫血与缺血性卒中预后的关系[D].郑州大学,神经病学（专业学位）,2013,硕士.
[22]王斌.非理想信道下MIMO干扰对准技术研究[D].苏州大学,电子与通信工程（专业学位）,2014,硕士.
[23]罗娅妮.90后员工就业观及其对策研究[D].苏州大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[24]曾艳品.土钉墙基坑支护优化设计的一些问题研究[D].长安大学,地质工程（专业学位）,2014,硕士.
[25]李金蔓.电视纪录片频道的受众需求研究[D].东北师范大学,广播电视艺术学,2012,硕士.
[26]菅佩芬.明清时期大同城镇发展轨迹[D].内蒙古大学,中国古代史,2013,硕士.
[27]王万良,金亦挺,赵燕伟,郑建炜.基于边缘相关性距离约束的角点匹配[J].计算机科学,2013,05:283-286.
[28]郑海兵.游走于“主旋律”和“大众”之间的官场小说[D].华中师范大学,中国现当代文学,2013,硕士.
[29]杨萍.校漂族的社会融入现状调查及对策探究[D].浙江工业大学,2013.
[30]沈丽萍.香连金黄散水煎液湿敷治疗急性湿疹（湿热证）的临床疗效观察[D].成都中医药大学,中医外科学,2012,硕士.
[31]秦丹,马光志.基于挖掘技术的音乐风格识别系统[J].计算机工程与设计,2005,11:236-238.
[32]白鸥.生态旅游认证指标体系及评估模型研究[D].浙江大学,2004.
[33]李海珍.竹叶青蛇毒磷脂酶A_2的表达及性质研究[D].湖北大学,生物化学与分子生物学,2012,硕士.
[34]吴一丰.多齿容错永磁磁通切换电机的拓扑优化及控制策略研究[D].南京航空航天大学,电力电子及电力传动,2013,硕士.
[35]丁燕霞.里根时代美国的“人权外交”政策[D].山西大学,世界史,2004,硕士.
[36]桂霄雨.群众路线视阈下的基层信访困局破解路径研究[D].中共湖北省委党校,中共党史,2014,硕士.
[37]刘舒怡.我国煤炭行业税费问题研究[D].首都经济贸易大学,税务（专业学位）,2014,硕士.
[38]罗旭光,万百五.工业过程广义稳态优化控制研究[J].自动化学报,1999,01:41-47.
[39]梁巨军.中西道德教育的比较[D].湖南师范大学,伦理学,2014,硕士.
[40]陈隈陟.中子和γ射线照射小鼠骨髓损伤的病理特点及调控机制研究[D].中国人民解放军军事医学科学院,病理学,2004,硕士.
[41]龚爱华.再生丝素膜细胞相容性和遗传毒性的研究[D].苏州大学,免疫学,2003,硕士.
[42]摩西（ISAMAT-ADEBAYOMOSESSEGUN）.关于巴斯口尼日利亚有限公司在中国品牌汽车，零部件和尼日利亚配件销售及市场推广业务运作的研究[D].宁波大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[43]王敏霞.体扫描三维显示系统的关键技术研究[D].华东师范大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[44]贾桂文,张景川,陈德旺,王丽娟.基于BIC准则模型选择的光纤光栅波长温度拟合研究[J].传感技术学报,2014,02:217-219.
[45]余淑琴.无缝针织女子竞技体操服的性能研究及其产品开发[D].浙江理工大学,纺织材料与纺织品设计,2013,硕士.
[46]何云民.高速公路沥青路面养护的综合评价[D].大连理工大学,土木工程,2003,硕士.
[47]丁洁玉,张文明,詹世革,孟庆国,张伟.第五届全国动力学与控制青年学者学术研讨会介绍[J].力学进展,2012,01:91-97.
[48]张孟.蛋白质中电荷转移中继站的理论研究[D].山东大学,理论与计算化学,2013,硕士.
[49]周卫星.基于.NET框架的电力调度命令票管理系统的设计与实现[D].西安电子科技大学,软件工程,2012,硕士.
[50]努尔麦麦提·艾尔肯.空间信息服务聚合在标准农田管理中的应用研究[D].浙江大学,地图学与地理信息系统,2013,硕士.