【正文】 ..................... 33 傳感器系統(tǒng) ........................................................................................ 34 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ............................................................................................... 35 上位機(jī)控制程序 ................................................................................ 35 下位機(jī)控制程序 ................................................................................ 37 試驗(yàn)研究 ....................................................................................................... 38 設(shè)備調(diào)試 ............................................................................................ 38 飛行試驗(yàn) ............................................................................................ 38 試驗(yàn)結(jié)果及分析 ................................................................................ 39 本章小結(jié) ....................................................................................................... 40 結(jié) 論 .......................................................................................................................... 41 致 謝 .......................................................................................................................... 42 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 43 附錄 1 中文譯文 ......................................................................................................... 46 附錄 2 外文原文 ......................................................................................................... 60 佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1 章 緒論 課題研究 背景及意義 本 課題來(lái)源于 黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 “ 基于視覺的四旋翼飛行器飛行抓取系統(tǒng)研究 ” （ 項(xiàng)目 編號(hào)： 202110222021） 。 近年來(lái)，軍事領(lǐng)域和民用鄰域都運(yùn)用廣泛 ，例如用于監(jiān)視、 偵察 、搭建臨時(shí)通信通道、救援 、巡 航 、對(duì)多種路線進(jìn)行安全測(cè)量 、 種子 播撒 、快遞投送 等方面 [1]。 隨著電子技術(shù)、 MEMS（ 微機(jī)電系統(tǒng) ） 制造 、 空氣動(dòng)力學(xué) 、自主控制技術(shù)以及數(shù)字通信技術(shù)的不斷發(fā)展， 促進(jìn) 無(wú)人機(jī)逐漸成為新型 的 空中力量和廣泛的運(yùn)用。 如果給四旋翼飛行器安裝 上 機(jī)械手 、 攝像頭 和 各種傳感器 ，那么 就可以將機(jī)器人技術(shù)和視覺 系統(tǒng) 技術(shù)運(yùn)用到飛行器上 并且 飛行器能 夠 環(huán)境中的物體進(jìn)行交互操作 。 所以目前 對(duì) 四旋翼飛行器的視覺系統(tǒng)技術(shù)研究主要有基于視覺的姿態(tài)估計(jì)技術(shù)、基于視覺的自主導(dǎo)航技術(shù)和基于視覺的目標(biāo)跟蹤技術(shù)這三方面內(nèi)容。同時(shí)還可以彌補(bǔ)位置與姿態(tài) 傳感器失靈后所造成微小型飛行器失衡或無(wú)法飛行等缺陷。 在 運(yùn)用 方面的研究主要 集中 在航拍方面 ，并且在這個(gè)方面取得非常的進(jìn)步和完全 實(shí)現(xiàn) 商業(yè)化 比如大疆的精靈 Phantom 就是一款主打航拍的飛行器 （ 見 圖 11） 。 將 視覺 系統(tǒng) 技術(shù)運(yùn)用到 四旋翼飛行器 上 的研究，近幾年 也 有 許多 高校研究 。 圖 11 大疆 精靈 Phantom 圖 12 基于視覺的微 小型四旋翼飛行器 圖 13 基于視覺的四旋翼飛行器 佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 圖 14 多旋翼無(wú)人機(jī) 國(guó)外 發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)外的 四旋翼飛行器主要以德國(guó) 的 Microdrones、 美國(guó) 的 Dragonflyer 和 法國(guó)的 最為出名 [7]。如果飛行器無(wú)法平穩(wěn)準(zhǔn)確的飛行，那么 實(shí)現(xiàn) 抓取 地面 上的物體就 很難做到。 如 ： 等人詳細(xì)闡述了 用 PID 和 LQ 控制 四旋翼 飛行器 穩(wěn)定飛行的 方法 [8]； Nicols Guenard 等人 實(shí)現(xiàn)了通過視覺伺服的方法來(lái)控制 飛行器的 穩(wěn)定飛行 [9]； Paul Pounds 等人 在 不忽略空氣 阻力 對(duì)飛行器的影響 以及考慮飛行器 的 靈敏度 和機(jī)械結(jié)構(gòu)等，對(duì) 飛行器 建立 精確 的動(dòng)力學(xué)模型 [10]； Dongbin Lee 等人 針 對(duì) 四旋翼飛行器的 輸出反饋跟蹤做 控制研究 [11]； Erding Altuk 等人 基于雙目視覺反饋 做 控制方法 的 研究 [12]。 賓夕法尼亞大學(xué)的 GRASP 實(shí)驗(yàn)室研究利用視覺信息測(cè)量微型 四旋翼飛行器的姿態(tài)（ 見 圖 15），它是通過安裝在飛行器飛行空間上方的攝像機(jī)采集飛行器上特殊標(biāo)識(shí)而獲得飛行器的位置信息，然后經(jīng)過定位算法確定四旋翼飛行器的姿態(tài)信息和位置信息，并融合機(jī)載慣性單元的測(cè)量數(shù)據(jù)和視覺數(shù)據(jù)來(lái)控制多個(gè)四旋翼飛行器協(xié)作飛行。安德烈 將微軟 Kinect 技術(shù)用于對(duì)四旋翼飛行器的位姿控制（ 見 圖 16），讓飛行器根據(jù)算法輸入解決靈活性問題；在 IEEE 上海機(jī)器人國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議 （ ICRA 2021） 上，瑞士 （ 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 ） 的學(xué)生介紹他們的四旋翼飛行器（ 見 圖 17） ， 這一個(gè)是利用飛行器上的單目視覺和慣性導(dǎo)航器糾正自身的姿態(tài)并且定位，同時(shí)用飛行器上面的處理器直接做信號(hào)處理和運(yùn)動(dòng)控制?；谒男盹w行器的動(dòng)力學(xué)模型，在 ADAMS 與 MATLAB 中對(duì)飛行器進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)。 本文 的重點(diǎn)是 四旋翼 飛行器的力學(xué)建模 、 控制器設(shè)計(jì) 和視覺 的運(yùn)動(dòng)跟蹤， 整個(gè)飛行器系統(tǒng) 的 難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)物體的 抓 取以及飛行器的平穩(wěn)性的控制 。 佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 第 2 章 力學(xué) 建 模 與 虛擬 樣機(jī)設(shè)計(jì) 力學(xué) 建 模 四旋翼 飛行器結(jié)構(gòu) 四旋翼飛行器的 機(jī)械 結(jié)構(gòu) 如圖 21所示， 它 是一個(gè)十字交叉形結(jié) 構(gòu) 的 飛行器。 由于 四旋翼 飛行器 的 十字 交叉形 結(jié)構(gòu) 在總 距 控制 和 周期變距控制方面 是一種 控制 不復(fù)雜的 穩(wěn)定控制 方式 ， 所以 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能應(yīng)用復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu) [14]。 因?yàn)?飛行器是通過 改變 四個(gè)佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 電機(jī) 的 轉(zhuǎn)速 來(lái) 使 上升 拉 力的變化， 所以 需要 保持 飛行器 平穩(wěn) 的控制算法 ， 否則會(huì)導(dǎo)致 動(dòng)力 不 穩(wěn)定。 由于 四旋翼飛行器的 四旋翼 的旋轉(zhuǎn) 方式 ， 所以 在 飛行器平穩(wěn)的飛行時(shí) 產(chǎn)生的 陀螺 效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消 并 產(chǎn)生平衡機(jī)身的反扭矩 [15]。 （ 1）垂直運(yùn)動(dòng)： 四旋翼 飛行器垂直運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 如圖 22 所示。 當(dāng)四個(gè) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速 同時(shí) 增大 ， 繼而產(chǎn)生更大的 向上 拉力。反之 ， 當(dāng)四個(gè) 電機(jī)的 轉(zhuǎn)速 同時(shí) 減小 時(shí) ， 產(chǎn)生 的向上拉力逐漸 減小 ，致使飛行器垂直下降，直至 平穩(wěn) 降落 到 地面 ， 實(shí)現(xiàn) 飛行器沿 Z 軸 方向 的垂直運(yùn)動(dòng) 。 電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速 增大 ，電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速 減小 且電機(jī) 1 和 電機(jī) 3 的 轉(zhuǎn)速 改變量大小相等 ，電機(jī) 電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速保持不變 。 佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 23 四 旋翼 飛行器俯仰運(yùn)動(dòng) 簡(jiǎn) 圖 （ 3） 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)： 四旋翼 飛行器 滾轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng) 簡(jiǎn) 圖 如圖 24 所示 ， 從 圖中可以看出， 軸 1 和 軸 3 為 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)， 軸 2 和軸 4 為 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)， 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生相反的扭矩 。 由于旋翼 2 的 轉(zhuǎn)速減小 產(chǎn)生 的向上拉力逐漸 減小 ，旋翼 4 的 轉(zhuǎn)速增大 產(chǎn)生 的向上拉力逐漸 增大，電機(jī) 電機(jī) 3 產(chǎn)生的向上拉力不變 ， 故電機(jī) 2 和 電機(jī) 4 產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞 X 軸旋轉(zhuǎn) 。 在空氣阻力 的作用下，飛行中的飛行器會(huì)產(chǎn)生 與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反的扭矩 。 作用力 與 反作用力是相互的，同理反 扭矩的大小 隨 旋翼 轉(zhuǎn)速 的增大（ 減小 ） 而 增大（ 減小 ） 。 當(dāng)電機(jī) 1 和 電機(jī) 3 的 轉(zhuǎn)速 增大 產(chǎn)生的 向上 的拉力 逐漸 增大， 電機(jī) 2 和 電機(jī) 4 的 轉(zhuǎn)速 減小 產(chǎn)生 的向上的拉力逐漸減小， 旋翼 1 和 旋翼 3大于旋翼 2 和 旋翼 4 對(duì) 機(jī)身的 反扭矩，因此 機(jī)身在 兩個(gè) 反扭矩 相 減 的 差值 作用下繞 Z 軸旋轉(zhuǎn) 且 轉(zhuǎn)向與電機(jī) 電機(jī) 3 相反 。 電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速減小，電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速增大且電機(jī) 1 和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速改變量大小 不 相等，電機(jī) 電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。 圖 26 四旋翼 飛行器 前后 運(yùn)動(dòng) 簡(jiǎn) 圖 （ 6） 傾向運(yùn)動(dòng)： 四旋翼 飛行器 傾向 運(yùn)動(dòng) 簡(jiǎn) 圖 如圖 27 所示 ， 從 圖中可以看佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 出， 軸 1 和 軸 3 為 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)， 軸 2 和軸 4 為 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)， 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生相反的扭矩 。 電機(jī) 2 轉(zhuǎn)速減小產(chǎn)生 的升力 的 大小改變 量 小于電機(jī) 4 轉(zhuǎn)速 增加產(chǎn)生的 升 力的大小改變 量， 同時(shí)為保持飛行器的反扭矩平衡，于是產(chǎn)生沿 Y 軸的水平分量的拉力使飛行器向 右或向 左 的運(yùn)動(dòng)。 首先建立兩個(gè) 坐標(biāo)系 [17]（ 見 圖 28） ： （ 1） 慣性 坐標(biāo) 系 E（ X， Y， Z） ： 考慮 被 研究 的 對(duì)象是 飛行器 在 空中 平 穩(wěn)飛行 的 狀態(tài) ， 那么 飛行 器 的位置 、 姿態(tài)、速度、 角速度 等飛行狀態(tài)參數(shù)都是 相對(duì)地面上某點(diǎn)作為參考坐標(biāo)系的。 原點(diǎn) O 位于 地面參照 物 內(nèi)一點(diǎn)，X 軸 指向正東方 向 ， Y 軸 與 X 軸垂直 且 指向正北方向 ， Z 軸與 X 軸和 Y 軸 構(gòu)成的 XOY 平面垂直且方向垂直向上 。 x 軸與 X 軸平行且指向正東方向， y 軸與 Y 軸平行且指向正北方向， z 軸 與 Z 軸平行且指向上方。 為了簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué) 數(shù)學(xué)模型 可以 做如下假設(shè)： （ 1） 機(jī)體結(jié)構(gòu)為 對(duì)稱 分布 的剛體 ； （ 2） 飛行器幾何中心及質(zhì)心與 機(jī)體坐標(biāo)系的原點(diǎn) 重合 ； （ 3） 飛行器所受 空氣 阻力和重力 加速度 不受 外界 因素影響 ； （ 4） 不考慮旋翼 扭矩對(duì)機(jī)體 的 作用 ； （ 5） 螺旋槳 視為剛體 。 在機(jī)體坐標(biāo)系中 重力在 x 軸、 y 軸 z 軸 的 分量如下 ： si nsi n c osc os c osxyzG m gG m gG m g???????????? ??? （ 27） 在機(jī)體坐標(biāo)系中螺旋槳 的升力 在 x 軸、 y 軸 z 軸的分量 如下 ： 佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 11223344sinsinsinsinxxxxFFFFFFFF??????? ??? ??? ?? （ 28） 12340000yyyyFFFF??? ??? ??? ?? （ 29） 11223344coscoscoscoszzzzFFFFFFFF??????? ??? ??? ?? （ 210） 圖 210 四旋翼飛行器受力分析 綜合 上述分析， 由 式 （ 27） 、 （ 28） 、 （ 29） 、 （ 210） 得出 作用在四旋翼飛行器上的 力 和力矩在機(jī)體