复杂场景下无人机感知规避虚实结合验证技术研究

作     者：秦子路 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卢颖;闫国闯

授予年度：2024年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 08[工学] 081104[工学-模式识别与智能系统] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0835[工学-软件工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：数字孪生 感知规避 人工势场法 虚实融合 

摘      要：近年来,四旋翼无人机凭借其结构简洁、操纵灵活的特点,在众多领域实现了广泛应用。随着无人机智能算法的不断进步,四旋翼无人机的技术性能和应用范围得到了进一步拓展。然而,在无人机智能算法的开发与验证环节,传统的仿真实验存在诸多局限性,如仿真精度低、算法移植性差等问题,且实机测试也面临着成本高、耗时长等挑战。针对上述问题,本文的主要工作聚焦于以下几个方面: (1)以四旋翼无人机为研究对象,引入数字孪生五维模型,设计了由物理层、虚拟层、孪生数据层、服务层和连接层构成的无人机虚实结合验证平台框架,并提出相关技术解决方案作为平台开发的基础。 (2)无人机飞行场景复杂多变,传统的仿真场景建模精度低、复杂性不高、所模拟的环境与真实世界差距大。针对上述问题,对三维复杂场景建模技术进行研究,建立了无人机飞行实验的仿真环境模型库。首先创建多种地形、地貌模型,包括城市、山地、平原等,导入到UE4中建立模型库;其次利用三维视景可视化技术,在UE4中添加雨、雪、沙尘、雾等天气情况,以模拟特殊天气条件下的飞行场景。同时为了保证虚拟无人机实验的真实性,对实体无人机飞行特性、运动学行为展开研究,在虚拟环境中构建了与实体无人机一致的虚拟无人机模型。 (3)针对传统仿真验证缺乏与物理场之间的虚实交互,提出了一套虚实结合的解决方案。首先在Air Sim仿真环境中,利用软件在环仿真技术,实现对虚拟无人机的控制;其次,采用ssh技术,远程控制机载电脑,完成对实体无人机的操控;最后,使用ROS主从机机制和Socket通信技术,设计了虚拟无人机与实体无人机之间的通信回路,实现了虚实结合的无人机仿真。针对算法移植性差的问题,利用了MAVROS功能包进行上述功能的开发,简化了智能算法的移植过程。通过实验验证,证明了平台虚实交互的有效性。 (4)在前述技术的基础上,对复杂场景中的感知规避算法进行了研究。针对传统人工势场法存在的目标不可达问题和局部极小值问题,首先在斥力势场函数中引入目标增益系数,随着无人机接近目标减小斥力作用,解决无人机目标不可达问题;其次,增加局部极小值判别函数并相应调整斥力方向,解决无人机局部极小值问题。为了验证改进后的人工势场法在复杂场景中的有效性,以面向复杂城市场景的虚实结合实验为例,在此平台上对传统的人工势场法和改进后的人工势场法进行了有效性验证。实验结果表明,改进后的人工势场法在复杂场景中表现出更高的导航精度和避障能力,能够更有效地完成任务。