摘要
四旋翼无人机以体积小、结构简单、飞行机动性大等优点，广泛应用于军、民领域，特别适合于城市巷道、层林等复杂环境下执行任务。为了提高飞行安全，四旋翼无人机障碍物防撞问题成为业界研究热点。本文以某型四旋翼为研究对象，开展基于改进型向量场直方图(VFH)避障算法研究，完成无人机避障硬件平台设计与搭建，开展无人机避障过程演示飞行验证，主要研究内容包括： 首先，分析四旋翼无人机的飞行原理，建立非线性六自由度动力学模型，并根据动力学模型设计四旋翼无人机仿真模型。采用串级PID控制算法完成姿态保持控制与轨迹跟踪控制器设计，通过数值仿真结果表明，本文所建立的模型能够反应无人机的特性，设计的控制律能够保证无人机实现稳定飞行与位置跟踪。 其次，针对四旋翼无人机飞行中障碍物规避问题，采用改进型向量场直方图算法避障策略设计。主要针对传统VFH算法存在的阈值敏感问题，设计了自适应阈值函数，根据无人机与障碍物的距离以及速度等约束条件，动态调整阈值门限，有效的解决了小阈值造成的避障路径曲折问题，以及大阈值造成的无人机避障滞后的缺点；针对障碍物体积大，无人机无法探测障碍物全部信息而造成的局部死循环问题，通过设计改进的代价函数，提前识别算法陷入死循环的标志，在线调整无人机飞行方向选取的优先级，保证无人机有效避开障碍物。 再次，开展四旋翼无人机避障系统硬件设计以及嵌入式飞控与避障算法实现，完成飞控机硬件最小系统设计、避障传感器选型、数据通信协议定制以及改进型VFH避障算法实现，为验证本文算法设计的正确性提供演示飞行平台。 最后，针对四旋翼无人机避障与控制系统进行飞行科目试验，主要包括姿态保持模态、定高模态以及自主避障飞行模态试飞试验，对试验数据进行了分析，结果表明四旋翼可以有效的规避目标航线中出现的障碍物。
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