无人机地面站与航迹规划的研究

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1.1 1.2
I II
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · IV 绪论 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 1 1 1 4 6 6 7 8 8
本文主要研究内容 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 本文的章节安排 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
1.3.1 1.3.2
第二章
2.1 2.2
无人机地面站软件架构 · · · · · · · · · · · · · ·
课题背景与研究意义 国内外研究现状
1.2.1 1.2.2
无人机地面站的研究现状 · · · · · · · · · · · · · · · · · 无人机航迹规划的研究现状 · · · · · · · · · · · · · · · ·
1.3
本文的主要研究内容和章节安排 · · · · · · · · · · · ·
2.2.1
2.3
无人机地面站的软件设计
地面站软件的功能模块
· · · · · · · · · · · · · · · · 12
13 2.3.2 无人机地面站的软件结构 · · · · · · · · · · · · · · · · · 14
· · · · · · · · · · · · · · · ·
无人机飞行控制系统概述
无人机与地面站的通信 · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10
无线网络传输技术 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
10 2.2.2 数传电台通信 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 12
学位论文作者签名:wk.baidu.com签字日期: 年 月 日
导师签名: 签字日期: 年 月 日
摘要
摘
要
近年来，无人机的研究和应用成为一个热点。无人机具有自动起飞、驾 驶、导航与定位，以及信息采集与传送等多项功能，尤其适合代替人在危险、 恶 劣 和 极 限 的 环 境 下 完 成 特 定 的 工 作 和 任 务。因 此 无 人 机 在 军 事、航 空 航 天、测绘以及商业等领域有着广泛的应用。 无人机地面站是无人机系统的重要组成部分，承担着与无人机的实时通 信、数 据 存 储 与 分 析、地 图 定 位，以 及 任 务 规 划 和 管 理 等 多 种 功 能，为 无 人 机成功完成飞行任务提供了保证。 本文的研究内容包括无人机地面站软件的设计，以及基于势能函数的航 迹规划算法的研究。本论文完成的主要工作包括： （1）无人机地面站软件的设计。本文开发了一款无人机地面站软件，主 要实现了以下几个方面的功能。第一，地面站与无人机的实时通讯，包括对 无人机飞行信息的接收，以及向无人机发送控制命令等；第二，地面站数据 库 系 统 的 设 计，本 文 基 于MYSQL数 据 库，实 现 了 对 无 人 机 飞 行 信 息 的 存 储、 规划航迹信息的存储与修改，以及通过查询功能实现的无人机航迹回放等功 能；第三，利用MapX 电子地图，实现对无人机的定位以及导航等功能；最后 通过实验联调，验证了无人机地面站软件的稳定运行，实现了各个模块的功 能。 （2）基于势能函数的航迹规划算法的设计。为使无人机系统提高自主控 制和执行任务能力，实现无人机地面站的航迹规划功能是一个关键问题。本 文基于势能函数的设计方法，设计了一种无人机航迹规划算法。该算法是在 已知的环境中，根据无人机距离目标点以及障碍物的距离，构建能量分布场， 并通过设计时变控制增益的规划算法，使得无人机渐近达到目标点，同时保 证无人机的速度、加速度满足其机动性能要求。本文通过基于Lyapunov 稳定 性理论的分析，证明了所提出的航迹规划算法的稳定性，并由Matlab/Simulink 数值仿真验证了航迹规划算法的有效性。
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果，也 不 包 含 为 获 得 天 津 大 学 或 其 他 教 育 机 构 的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
关键词： 无人机,地面站,数据库,航迹规划,稳定性
I
ABSTRACT
ABSTRACT
In recent years, the research and application of UAVS has become a hot spot.UAV has many features, for example automatic takeoff ,automatic driving, navigation and positioning, as well as information collection and transfer, so it is suitable for the completion of specific tasks instead of people, in hostile and extreme environments. Therefore, the UAV has a wide range of applications in the military, aerospace, surveying and mapping, as well as commercial areas. UAV ground station is an important part of the UAV system, it is responsible for communication with the UAV, effective transmission of data, analysis of the display and control of the UAV, so it ensure the successful running of the entire UAV system. This study includes the UAV ground station software design, and research on the route planning algorithms based on the Potential Function.The work in this thesis can be summarized as follows: (1)The design of the UAV ground station software implements a lot of functions. First, the ground station and the UAV real-time communication, it includes UAV data reception, as well as sending control commands to the UAV through ground stations; second, the use of MYSQL database, it includes UAV data storage , as well as planning position storage and query; Third, the operation of MapX electronic map ,it includes realizing UAV’s position and navigation functions; Finally, the experiments verified the stable operation of the UAV ground station software ,and achieved the function of each module. (2)In order to improve the the ability of self-control and performing tasks, it is a key issue that completing the function of path planning for UAV. A path planning algorithm is designed in this paper, and it is based on the potential energy function. In a known environment, according to the distance from the target point to the UAV, as well as the distance between the obstacle and the UAV, This algorithm construct the energy distribution field, and design time-varying control gain path planning algorithm, so that the UAV reaches the target point at last, while guarantees UAV’s speed and acceleration to meet its maneuvering performance requirements.In this paper, the stability proof is based on the analysis of Lyapunov stability theory, it is proved the stability of the proposed path planning algorithm,and verified the effectiveness of the flight path planning algorithms by Matlab / Simulink Numerical Simulation.
II
ABSTRACT
KEY WORDS： UAV,Ground Control System,Database,Path Planning,Stability
III
目
录
目
录
摘要 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ABSTRACT · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 目 录 第一章
无人机地面站与航迹规划的研究
Research on the Unmanned Aerial Vehicle(UAV) Ground Control System and Path Planning
学科专业：控制工程 研 究 生：赵婷婷 指导教师：鲜斌 教授
天津大学电气与自动化工程学院 二〇一二 年 十二 月