无人机多轴机械稳定系统与无碰撞路径规划算法研究

### 无人机多轴机械稳定系统与无碰撞路径规划算法研究 #### 1. 多轴机械稳定系统 多轴机械稳定系统在无人机等领域有着重要应用，特别是对于搭载相机的无人机，稳定系统能有效提升图像质量。通过实验测量，采用专用的 2 - DOF 平台和两个用于方向测量的 IMU 对 3 - DOF 相机稳定系统的质量进行评估。 实验结果表明，机械稳定能改善低频阻尼，这使得相机可以安装在像无人机这样的旋转物体上。在不同控制类型下，图像在 x 和 y 方向的偏移情况有所不同。例如，开环系统带预测的控制方式能取得较好的效果，可将图像偏移从超过 250 像素降低到约 50 像素。 控制类型与图像偏移情况对比： | 控制类型 | 图像偏移情况 | | --- | --- | | 开环系统带预测 | 从超过 250 像素降低到约 50 像素 | | 其他控制类型 | 约 100 像素 | #### 2. 无人机无碰撞路径规划算法 ##### 2.1 研究背景与目标 无人机在执行自主任务时，面临着诸多挑战，如无碰撞路径规划、在变化天气条件下的稳定飞行、确定空中位置和方向等。其中，无碰撞路径规划是关键问题之一。本研究旨在设计一种基于概率搜索的离线规划算法，为无人机规划一组无碰撞的航点，使其能在非结构化地形上自主执行巡逻任务。 ##### 2.2 系统概述 无人机控制系统采用典型的分层混合架构，主要包括以下模块： - **规划器模块**：由人类操作员指定无人机要飞过的地点，规划器根据地形拓扑数据生成无碰撞路径的航点集。 - **轨迹生成模块**：负责生成航点之间的无碰撞轨迹，使无人机能够飞行。 - **导航模块**：需要获取无人机的空间位置和方向信息，由定位子系统完成坐标和方向的确定。同时，还需通过传感系统收集周围物体的信息，以应对规划中未考虑的动态空间因素。 - **运动控制系统**：执行导航系统生成的轨迹。 ```mermaid graph LR A[人类操作员] --> B[规划器模块] B --> C[轨迹生成模块] C --> D[导航模块] E[定位子系统] --> D F[传感系统] --> D D --> G[运动控制系统] ``` ##### 2.3 规划系统假设 规划系统设计时遵循以下主要假设： - 巡逻任务在预先设定的高度 $H_0$ 上执行。 - 系统具备提供地形各点高度信息的地图。 - 优先采用避障机动而非飞越障碍物。 - 无人机在任务期间不能跨越国界。 ##### 2.4 问题陈述 无人机的任务可表示为一组位置集合 $M = \{m_1, m_2, \ldots, m_p\}$，其中 $m_i = (x_i, y_i)$，$i = 1, 2, \ldots, P$，以及飞行高度 $H_0$。规划器模块的目标是在 3D 空间中计算出位于操作员指定位置之间的一组点，即对于每对相邻点 $(m_i, m_{i + 1})$，找到一组确定 3D 无碰撞路径的航点 $S_i = \{s_{i1}, s_{i2}, \ldots, s_{iQ}\}$，其中 $s_{i,k} = (x_{i,k}, y_{i,k}, z_{i,k})$，$i = 1, 2, \ldots, P - 1$。路径计算过程分为两个阶段：先确定 2D 空间的路径，再将其扩展到 3D 空间。 ##### 2.5 地形地图 规划无碰撞路径基于系统拥有包含地形各点高度数据的地图。本研究采用了波兰和斯洛伐克边境地区的地图，其地形复杂，具有代表性。通过地图数据库获取地图，并使用 Matlab 建立地形模型。 ##### 2.6 概率方法 由于 3D 模型的搜索空间大，计算复杂，采用概率方法简化问题。从原始模型中随机选择一组代表性样本 $R = \{r_1, r_2, \ldots, r_Z\}$，其中 $r_i = \{k, l\}