基于前视视觉探测的无人飞行器地形跟随研究

作     者：黄鹏程 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王彪

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：地形跟随 前视探测 搜索策略 适应角法 滚动时域控制 虚拟仿真 

摘      要：随着应用无人机的场景越来越复杂,使用视觉传感器替代传统雷达等传感器受到了各方研究者的重视。本文以视觉探测辅助高速无人飞行器的地形跟随任务为背景,使用机载相机获取飞行器所处环境的障碍物/地形信息,着重研究了扩展小视场角相机视野范围的光轴搜索策略、利用前视探测结果建立局部数字地图并设计基于滚动时域控制的地形跟随系统,开发了基于Unity3D的地形跟随视景仿真系统。首先,针对基于视觉的高速飞行器地形跟随问题,通过分析现有地形跟随及视觉辅助飞行相关领域研究现状,确定了基于前视视觉探测的方式,并提出了相应的地形跟随系统总体方案。然后,针对在地形跟随任务中为了满足探测距离需求而使用长焦相机导致视场角小、易出现视野丢失的问题,提出了一种光轴搜索策略。该策略采用基于情景判别的分段适配处理方法,通过分析导引特征点与飞行器的相对位置,给出挂载相机的云台转动指令。实际地形数据仿真结果证明,使用本文设计的搜索策略后能够获得更丰富的地形信息,避免视野丢失的问题,实现更好的地形跟踪效果。接着,针对前视导引方案对探测信息利用率较低,地形贴合程度不高的缺点,利用探测结果建立局部数字地形图,在考虑飞行器机动能力约束情况下使用滚动时域控制设计最优控制器,将地形跟随问题转化为轨迹跟踪控制问题。仿真结果表明,该方案能够提高地形贴合程度,同时能够保证安全性。最后,开发了基于Unity3D的地形跟随视景仿真系统,使用不同起伏特征的真实地形数据搭建虚拟飞行环境,支持对各种主流地形跟随方案进行仿真验证。使用该系统对本文设计的地形跟随方案进行仿真验证,使用航程损失、撞地概率等指标对系统跟随结果进行评价,验证了本文设计的地形跟随方案安全可靠,开发的视景仿真系统能够满足使用需求。