[毕业论文] 基于四旋翼飞机的三维动态航迹规划算法研究 [复制链接]

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毕业论文-基于四旋翼飞机的三维动态航迹规划算法研究，共115页，46608字

中文摘要

目前，航迹规划领域的相关研究主要是围绕无人机进行展开的。而本课题研

究的四旋翼飞机是一种新型的无人驾驶飞机。由于四旋翼飞机具有垂直起降等多

种优质性能，所以被广泛用在近地面（复杂室内环境、户外丛林）的军事侦查、

援救以及运输等方面。而在这样复杂的环境下，要实时地寻找一条无碰并满足飞

机自身动态飞行性能的三维航迹是相当困难的。基于此本课题主要是针对室内飞

行的小型四旋翼飞机，力求实时找到一条适合四旋翼飞机动态约束的三维航迹。

本文首先将对实验使用的四旋翼飞机进行简要介绍，然后对该飞机的三维航

迹规划问题的模型进行分析，并对三维空间进行建模。进而研究 RRT 算法以及其

一些改进算法，并对其进行分析比较。然后对所研究的动态航迹规划算法进行仿

真，实现了 RRT 算法相关的四种航迹规划算法并对算法结果进行了三维显示。最

后对仿真结果进行比较分析，得出结论。

关键词：四旋翼飞机

RRT 算法 航迹规划 三维建模

ABSTRACT

Currently, the field of the trajectory planning research is mainly carried out

around the UAV. The research in this paper is focusing on the quadrotor which is a new

type of the UAV. It has been widely used in near-surface (complex indoor environme-

nt ,outdoor jungle)for the military reconnaissance , transport and rescue, since it has

capability of vertical take-off and landing. But in such a complex environment, it is

very difficult for us to find out a real-time collision free path which must satisfy the

quadrotor’s dynamic constrains at the same time. Based on this issue, this paper is

concentrated on the problem of finding out a 3D trajectory for the mini-quadrotor

indoor.

First , this paper will give a brief introduction of quadrotor used in this research.

And then it will discuss the modeling of the 3D space (indoor) and the 3D trajectory

planning problem. After the model is obtained, the RRT algorithm and some of its imp-

roved algorithm will be discussed and compared. Finally, the simulation results of

these trajectory planning algorithms will be analysed and showed in 3D environment,

and the conclusion will be carried out after this.

Keywords: Quadrotor helicopter; Rapidly-exploring Random Tree; path

planning ; Three-dimensional modeling

目录

第 1 章 引言 .... 1

1.1 研究背景........ 1

1.2 研究现状........ 3

1.3 研究的任务及内容.. 6

1.4 论文结构安排 6

第 2 章 四旋翼自主飞行系统简介 ........ 8

2.1 四旋翼飞机简介...... 8

2.2 四旋翼自主飞行系统构成 9

2.3 航迹规划器总体结构设计........ 10

第 3 章 问题建模 .... 13

3.1 三维空间的存储及建模.. 13

3.1.1 空间分解法 ..... 13

3.1.2 层次包围盒法 . 15

3.2 航迹规划问题建模 17

3.2.1 航迹规划问题模型 ... 17

3.2.2 航迹的表示形式 ....... 18

3.2.3 航迹的约束条件 ....... 18

第 4 章 三维动态航迹规划算法 20

4.1 常用的航迹规划算法分析........ 20

4.2 障碍物信息的读取 22

4.3 碰撞检测算法........ 24

4.4 障碍物的膨胀........ 25

4.5 三维空间动态航迹规划.. 26

4.5.1 原始 RRT 算法 ......... 26

4.5.1.1 算法原理 .. 26

4.5.1.2 算法流程图 ........ 27

4.5.1.3 算法缺点 .. 29

4.5.2 双向 RRT 算法 ......... 29

4.5.3 启发式 RRT 算法 ..... 30

4.5.4 多树 RRT 算法 ......... 34

4.6 航迹平滑算法........ 36

4.6.1 简单的航迹平滑 ....... 36

4.6.2 折线航迹 ......... 37

4.7 本章小结...... 37

第 5 章 仿真结果及分析 .. 39

5.1 四种算法结果比较及分析........ 39

5.1.1 动态航迹规划仿真演示系统简介 ......... 39

5.1.2 主楼 430 场景结果比较..... 41

5.1.3 钻桌子场景结果比较 ......... 45

5.1.4 窗口场景结果比较 ... 47

5.1.5 实验结果小结 . 48

5.2 折现航迹显示........ 49

5.3 本章小结...... 50

第 6 章 总结与展望 51

6.1 研究成果总结........ 51

6.2 未来工作展望........ 51

插图索引 ........ 53

表格索引 ........ 55

参考文献 ........ 56

致谢 ........ 59

声明 ........ 60

附录 A 外文资料的书面翻译... 61

附录 B 航迹规划算法部分代码及注释....... 95

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