畢設(shè)中期答辯課件

答辯人：朱超磊指導老師：羅漳平NavigationofMicroAerialVehicleinUnknownEnvironments未知環(huán)境中的微小型飛行器的感知飛行北京航空航天大學航空科學與工程學院答辯人：朱超磊指導老師：羅漳平NavigationofM1CONTENTS1423研究概述后期安排中期成果存在問題CONTENTS1423研究概述后期安排中期成果存在問題21研究概述1研究概述31研究概述對于未知復雜環(huán)境，尤其在GPS等導航裝置失效的情形下，微小型飛行器要實現(xiàn)規(guī)避障礙避免碰撞，最終到達目的地的任務要求，就要求飛行器必須具備自主偵查，進行航跡規(guī)劃和自我操控按照規(guī)劃航跡運行的能力。而這些也正是這個項目主要研究和解決的問題。另一方面，由于微小型飛行器平臺體積小功率低的限制，要求設(shè)計的裝置必須在有限的有效載荷和電源可用性的條件下正常工作，使得復雜圖像處理設(shè)備無法發(fā)揮作用，同時高性能的微處理器和大存儲裝置也無法搭載，這導致如光流法、基于視覺的定位方案等都無法采用，因此最終我們選定使用一種小型二維激光測距儀以實現(xiàn)這一目標。1研究概述對于未知復雜環(huán)境，尤其在GPS等導航裝置失效的情形4研究內(nèi)容建立環(huán)境認知模型和改進勢場法

通過小型激光測距儀完成障礙物位置和形狀信息的采集，結(jié)合傳感器采集到的信息建立勢場法，實現(xiàn)穿越狹窄通道的規(guī)避算法建立控制方程和飛行動力學方程通過轉(zhuǎn)彎速率和加速度參數(shù)確定飛行控制方程，對勢場法得到得到路線進行擬合，然后通過飛行器位置速度加速度和偏航率等參數(shù)建立飛行動力學模型，實現(xiàn)飛行器模擬機動實現(xiàn)單一環(huán)境的仿真運用matlab軟件對之前所建立的算法進行仿真，通過仿真結(jié)果對算法進行改進，對算法內(nèi)的多個參數(shù)選取進行優(yōu)化，實現(xiàn)較好的仿真效果復雜環(huán)境仿真及算法魯棒性搭建含有多個障礙物和多起點終點情形下得仿真模型，研究算法本身的可靠性，并探討多種因素對仿真結(jié)果的影響，保證算法具有較好的魯棒性1研究內(nèi)容研究建立環(huán)境認知模型和改進勢場法通過小型激光測距儀完成障礙52中期成果2中期成果6研究階段14253第一階段選擇合適的激光測距儀保證其參數(shù)符合飛行器平臺的低功耗要求，同時由其參數(shù)決定了障礙物位置形狀的數(shù)據(jù)形式搭建飛行控制方程，通過建立轉(zhuǎn)彎速率和加速度參數(shù)的關(guān)系，實現(xiàn)對規(guī)劃路線的擬合第三階段

熟悉掌握matlab軟件，通過該軟件對所建立的算法進行仿真，目前仍在進一步的學習過程中第五階段

依據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù)結(jié)果構(gòu)造合理的路徑規(guī)劃算法，利用新勢場法模擬飛行器路徑規(guī)劃過程第二階段

搭建飛行動力學模型，結(jié)合微小型飛行器平臺自身的限制，通過對位置速度偏航率等參數(shù)的控制實現(xiàn)飛機機動第四階段

2中期成果研究14253第一階段搭建飛行控制方程，通過建立轉(zhuǎn)彎速率和加7所選的激光儀功率小，掃描范圍大（只選取其中90°范圍）掃描分辨率合適（保證足夠使用的前提下有合理的數(shù)據(jù)量），既可滿足微小型飛行器平臺對于小功率的需求又能夠較好地實現(xiàn)障礙物位形的探測。最終由該激光掃描儀得到的數(shù)據(jù)類型為0.1s的周期內(nèi)一個長度為250的一維數(shù)組，這個表示激光強度的數(shù)據(jù)指針代表了飛機與障礙物的距離。此外，對于給定的激光如果在最小探測角內(nèi)沒有檢測到障礙物，測量點會被賦值為0。通過激光儀得到的數(shù)據(jù)，我們能夠獲得障礙物在其實體范圍相對應的位置數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)將被用來進行障礙物規(guī)避。12階段成果選取型號：URG-04LX主要參數(shù)：重量：141g角坐標分辨率：0.36°分辨率：1mm掃描頻率：10Hz（10次/s）掃描角度：240°掃描波長：785nm探測范圍：大約5m電壓：5V電流：0.5A所選的激光儀功率小，掃描范圍大（只選取其中90°范圍）掃描分822階段成果利用傳感器傳回的數(shù)據(jù)建立改進的勢場法，實現(xiàn)規(guī)避算法

22階段成果利用傳感器傳回的數(shù)據(jù)建立改進的勢場法，實現(xiàn)規(guī)避算9ωcmd=c1(ψdes?ψ)其中ωcmd

為計算得到的轉(zhuǎn)角速率ψdes

代表由規(guī)避算法決定的理想方向角Ψdes代表機頭的實際方向角

c1

是引入的恒定參數(shù)acmd=c2?c3|ωcmd|

acmd代表計算得到的加速度c2、c3代表加速度控制因子32階段成果控制方程主要是處理轉(zhuǎn)角速率和加速度兩個參數(shù)，建立其關(guān)系實現(xiàn)對所規(guī)劃路徑的擬合建立控制方程過程中，需要考慮到微小型飛行器本身的速度和加速度約束，算法計算的結(jié)果需要符合飛行器本身的設(shè)計要求，同時，由于飛行器動力狀況處于不斷變化過程中，改變導致其控制方程本身是飛行器狀態(tài)的函數(shù)，而算法是一個理想化過程，通過簡化以上過程實現(xiàn)更小的運算量，可以通過后期繼續(xù)研究，探討該問題引發(fā)的誤差量的大小。ωcmd=c1(ψdes?ψ)32階段成果控制方程主10x=Vcosψ

y=Vsinψ

ψ=ωcmd

V=acmd

|V|≤Vmax

|ω|≤ωmax

x、y是飛行器在慣性系中的位置參數(shù)Ψ

是機頭的角度V是飛機自身的速度其他參數(shù)為前幾步方程的輸入量

42階段成果飛行動力學的建立主要是為了使飛行器做出機動，以符合控制方程的要求在進行飛行動力學模型建立過程中，考慮了飛行器本身的速度和轉(zhuǎn)角速率的約束，從而保證算法在合理的范圍內(nèi)進行，算法每步都會產(chǎn)生一組位置和角度增量數(shù)組，用于飛行器狀態(tài)的更新，從而實現(xiàn)持續(xù)導航。x=Vcosψ

y=Vsinψ

ψ=ω113存在問題3存在問題122算法間的數(shù)據(jù)溝通雖然已經(jīng)大致寫出了各部分的算法內(nèi)容，但算法間的數(shù)據(jù)聯(lián)系仍需要繼續(xù)考慮，通過合理的數(shù)據(jù)傳輸使整個避障算法成為一個整體4算法可靠性研究1算法參數(shù)選擇以上算法中引入了若干參數(shù)，這些參數(shù)多與飛行器的狀態(tài)有關(guān)，在本算法中將飛行器狀態(tài)視為恒量，后期就需要通過多次軟件仿真，選擇合理的參數(shù)以得到最優(yōu)的結(jié)果3結(jié)果仿真算法的建立只是這個研究問題最基本的部分，最終目的是要將算法帶入的計算機軟件仿真系統(tǒng)中進行仿真，以檢驗和優(yōu)化整個算法，目前軟件這部分仍需要投入較多的精力B2存在問題具體算法可靠性尚未研究，需要對多種可能因素進行探索以保證在復雜環(huán)境中飛行器的飛行過程足夠安全，避免因干擾因素導致的算法失效。2算法間的數(shù)據(jù)溝通雖然已經(jīng)大致寫出了各部分的算法內(nèi)容，但算法134后期安排4后期安排141423繼續(xù)對算法進行進一步優(yōu)化，盡量解決目前遇到的問題考慮算法的魯棒性，對不同環(huán)境因素下算法的可靠性進行研究撰寫畢設(shè)論文，是問題結(jié)果條理化，規(guī)范化安排5后期安排熟悉使用matlab軟件對算法進行仿真，由簡單問題仿真入手，逐漸復雜化，以驗證算法的效率。1423繼續(xù)對算法進行進一步優(yōu)化，盡量解決目前遇到的問題考慮15謝謝謝謝16答辯人：朱超磊指導老師：羅漳平NavigationofMicroAerialVehicleinUnknownEnvironments未知環(huán)境中的微小型飛行器的感知飛行北京航空航天大學航空科學與工程學院答辯人：朱超磊指導老師：羅漳平NavigationofM17CONTENTS1423研究概述后期安排中期成果存在問題CONTENTS1423研究概述后期安排中期成果存在問題181研究概述1研究概述191研究概述對于未知復雜環(huán)境，尤其在GPS等導航裝置失效的情形下，微小型飛行器要實現(xiàn)規(guī)避障礙避免碰撞，最終到達目的地的任務要求，就要求飛行器必須具備自主偵查，進行航跡規(guī)劃和自我操控按照規(guī)劃航跡運行的能力。而這些也正是這個項目主要研究和解決的問題。另一方面，由于微小型飛行器平臺體積小功率低的限制，要求設(shè)計的裝置必須在有限的有效載荷和電源可用性的條件下正常工作，使得復雜圖像處理設(shè)備無法發(fā)揮作用，同時高性能的微處理器和大存儲裝置也無法搭載，這導致如光流法、基于視覺的定位方案等都無法采用，因此最終我們選定使用一種小型二維激光測距儀以實現(xiàn)這一目標。1研究概述對于未知復雜環(huán)境，尤其在GPS等導航裝置失效的情形20研究內(nèi)容建立環(huán)境認知模型和改進勢場法

通過小型激光測距儀完成障礙物位置和形狀信息的采集，結(jié)合傳感器采集到的信息建立勢場法，實現(xiàn)穿越狹窄通道的規(guī)避算法建立控制方程和飛行動力學方程通過轉(zhuǎn)彎速率和加速度參數(shù)確定飛行控制方程，對勢場法得到得到路線進行擬合，然后通過飛行器位置速度加速度和偏航率等參數(shù)建立飛行動力學模型，實現(xiàn)飛行器模擬機動實現(xiàn)單一環(huán)境的仿真運用matlab軟件對之前所建立的算法進行仿真，通過仿真結(jié)果對算法進行改進，對算法內(nèi)的多個參數(shù)選取進行優(yōu)化，實現(xiàn)較好的仿真效果復雜環(huán)境仿真及算法魯棒性搭建含有多個障礙物和多起點終點情形下得仿真模型，研究算法本身的可靠性，并探討多種因素對仿真結(jié)果的影響，保證算法具有較好的魯棒性1研究內(nèi)容研究建立環(huán)境認知模型和改進勢場法通過小型激光測距儀完成障礙212中期成果2中期成果22研究階段14253第一階段選擇合適的激光測距儀保證其參數(shù)符合飛行器平臺的低功耗要求，同時由其參數(shù)決定了障礙物位置形狀的數(shù)據(jù)形式搭建飛行控制方程，通過建立轉(zhuǎn)彎速率和加速度參數(shù)的關(guān)系，實現(xiàn)對規(guī)劃路線的擬合第三階段

熟悉掌握matlab軟件，通過該軟件對所建立的算法進行仿真，目前仍在進一步的學習過程中第五階段

依據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù)結(jié)果構(gòu)造合理的路徑規(guī)劃算法，利用新勢場法模擬飛行器路徑規(guī)劃過程第二階段

搭建飛行動力學模型，結(jié)合微小型飛行器平臺自身的限制，通過對位置速度偏航率等參數(shù)的控制實現(xiàn)飛機機動第四階段

2中期成果研究14253第一階段搭建飛行控制方程，通過建立轉(zhuǎn)彎速率和加23所選的激光儀功率小，掃描范圍大（只選取其中90°范圍）掃描分辨率合適（保證足夠使用的前提下有合理的數(shù)據(jù)量），既可滿足微小型飛行器平臺對于小功率的需求又能夠較好地實現(xiàn)障礙物位形的探測。最終由該激光掃描儀得到的數(shù)據(jù)類型為0.1s的周期內(nèi)一個長度為250的一維數(shù)組，這個表示激光強度的數(shù)據(jù)指針代表了飛機與障礙物的距離。此外，對于給定的激光如果在最小探測角內(nèi)沒有檢測到障礙物，測量點會被賦值為0。通過激光儀得到的數(shù)據(jù)，我們能夠獲得障礙物在其實體范圍相對應的位置數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)將被用來進行障礙物規(guī)避。12階段成果選取型號：URG-04LX主要參數(shù)：重量：141g角坐標分辨率：0.36°分辨率：1mm掃描頻率：10Hz（10次/s）掃描角度：240°掃描波長：785nm探測范圍：大約5m電壓：5V電流：0.5A所選的激光儀功率小，掃描范圍大（只選取其中90°范圍）掃描分2422階段成果利用傳感器傳回的數(shù)據(jù)建立改進的勢場法，實現(xiàn)規(guī)避算法

22階段成果利用傳感器傳回的數(shù)據(jù)建立改進的勢場法，實現(xiàn)規(guī)避算25ωcmd=c1(ψdes?ψ)其中ωcmd

為計算得到的轉(zhuǎn)角速率ψdes

代表由規(guī)避算法決定的理想方向角Ψdes代表機頭的實際方向角

c1

是引入的恒定參數(shù)acmd=c2?c3|ωcmd|

acmd代表計算得到的加速度c2、c3代表加速度控制因子32階段成果控制方程主要是處理轉(zhuǎn)角速率和加速度兩個參數(shù)，建立其關(guān)系實現(xiàn)對所規(guī)劃路徑的擬合建立控制方程過程中，需要考慮到微小型飛行器本身的速度和加速度約束，算法計算的結(jié)果需要符合飛行器本身的設(shè)計要求，同時，由于飛行器動力狀況處于不斷變化過程中，改變導致其控制方程本身是飛行器狀態(tài)的函數(shù)，而算法是一個理想化過程，通過簡化以上過程實現(xiàn)更小的運算量，可以通過后期繼續(xù)研究，探討該問題引發(fā)的誤差量的大小。ωcmd=c1(ψdes?ψ)32階段成果控制方程主26x=Vcosψ

y=Vsinψ

ψ=ωcmd

V=acmd

|V|≤Vmax

|ω|≤ωmax

x、y是飛行器在慣性系中的位置參數(shù)Ψ

是機頭的角度V是飛機自身的速度其他參數(shù)為前幾步方程的輸入量

42階段成果飛行動力學的建立主要是為了使飛行器做出機動，以符合控制方程的要求在進行飛行動力學模型建立過程中，考慮了飛行器本身的速度和轉(zhuǎn)角速率的約束，從而保證算法在合理的范圍內(nèi)進行，算法每步都會產(chǎn)生一組位置和角度增量數(shù)