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时空约束条件下多旋翼机动轨迹优化方法

蔡志浩 左一鸣 王英勋

蔡志浩, 左一鸣, 王英勋等 . 时空约束条件下多旋翼机动轨迹优化方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(2): 231-239. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0272
引用本文: 蔡志浩, 左一鸣, 王英勋等 . 时空约束条件下多旋翼机动轨迹优化方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(2): 231-239. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0272
CAI Zhihao, ZUO Yiming, WANG Yingxunet al. Maneuver trajectory optimization method of multicopter under space-time constraints[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(2): 231-239. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0272(in Chinese)
Citation: CAI Zhihao, ZUO Yiming, WANG Yingxunet al. Maneuver trajectory optimization method of multicopter under space-time constraints[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(2): 231-239. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0272(in Chinese)

时空约束条件下多旋翼机动轨迹优化方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0272
详细信息
    作者简介:

    蔡志浩  男, 博士, 高级工程师, 硕士生导师。主要研究方向: 创新布局飞行器系统综合设计、短距/垂直起降无人机建模与控制、无人机自主与协同控制

    左一鸣  男, 硕士研究生。主要研究方向: 飞行器的航迹规划

    王英勋  男, 硕士, 研究员, 博士生导师。主要研究方向: 无人机自主控制

    通讯作者:

    蔡志浩. E-mail: caizhihao@outlook.com

  • 中图分类号: V249.122+.3

Maneuver trajectory optimization method of multicopter under space-time constraints

More Information
  • 摘要:

    多旋翼飞行器常应用于震后搜救、地质勘探等复杂多变的场景中,考虑到其续航能力及环境特点,优化多旋翼的飞行轨迹以更好更快地完成任务已成为关键问题之一。为此,设定多旋翼穿越室内斜缝的任务场景,提出了一种基于抛物原理和庞特里亚金极小值原理的多约束条件下轨迹优化方法。模仿将东西抛过窄窗的过程,从分析斜缝角度出发,设计一条抛物线轨迹,引导飞行器借助惯性越过斜缝,对于抛掷飞机所需的初始状态,利用庞特里亚金极小值原理设计状态转换轨迹实现。在MATLAB中搭建3D模型验证穿越效果,试验显示,多旋翼最大能穿越竖直方向63°倾斜或水平方向32°倾斜的斜缝。

     

  • 图 1  大疆F330

    Figure 1.  DJI F330

    图 2  斜缝示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of diagonal seam

    图 3  平面Ⅱ内飞行轨迹

    Figure 3.  Flying trajectory in Plane Ⅱ

    图 4  可行域范围

    Figure 4.  Feasible range

    图 5  起飞悬停控制器位置响应

    Figure 5.  Location response of takeoff hovering controller

    图 6  回稳控制器响应

    Figure 6.  Response ofstabilization controller

    图 7  追踪控制器速度、加速度响应

    Figure 7.  Track controller speed and acceleration response

    图 8  任务规划模型

    Figure 8.  Mission planning model

    图 9  飞行任务流程

    Figure 9.  Flight mission process

    图 10  状态机工作流程

    Figure 10.  State machine workflow

    图 11  传感器检测情况

    Figure 11.  Sensor detection

    图 12  靠近段轨迹加速度响应

    Figure 12.  Acceleration response of tracking of approach trajectory

    图 13  位置与朝向条件变化下穿越结果

    Figure 13.  Crossing results at different locations and directions

    表  1  状态机参数

    Table  1.   State machine parameters

    切换点 位置误差/cm 速度误差/(cm·s-1) 加速度误差/(cm·s-2)
    穿缝起飞点 1 5
    抛出点 2 5 250
    回稳点 15
    着陆时刻 300
    下载: 导出CSV

    表  2  四旋翼穿缝性能

    Table  2.   Sewing ability of quadrotor

    斜缝状态 4 m/s 5 m/s
    竖直方向倾斜 65° 50°
    水平方向倾斜 32° 30°
    组合倾斜 60°+10°
    45°+15°
    24°+30°
    50°+10°
    30°+20°
    5°+30°
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-16
  • 录用日期:  2020-07-17
  • 网络出版日期:  2021-02-20

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