无人机的研究在最近几年成为一个热门的研究方向,无人机的应用也更加的广泛,目前应用包括军事、农业、测绘、视频拍摄、快寄行业等,无人机给多个行业带来了之前传统工具无法替代的优势。目前常用的无人机为固定翼与多旋翼无人机,还有一些正在研究的仿生无人机,每种形式的无人机都有自己的优缺点,但由于多旋翼无人机可以悬停、机动性好、结构简单成本低等优点,近几年得到迅速的普及及应用。但是固定翼和仿生设计的无人机也有各自的优点和应用场景。

在户外飞行的无人机可通过连续测量并融合来自惯性测量单元(IMU)和GPS的数据来调节飞行的姿态以及位置。这些目前智能做一个无人机做一个基础的环境感知,这类无人机还需要人工的遥控控制。实现无人机的自主飞行成为研究无人机的一个方向。无人机需要自主飞行就需要对周围的环境有一个更好的理解。感知与控制技术的研究就需要无人机有更为健全的自主环境感知能力。

无人机应该具有以下几个特点:

  1. 感知运动的自主性,可以将人类的高级指令转化成机器相关的控制信号,利用自身的传感器,按照预先设定的路线飞行。
  2. 反应自主性:当在飞行过程中遇到外部干扰时保持在当前位置或飞行路线,如在有外接环境干扰(风、障碍物)等情况下能够主动的调整或躲避障碍物,在遇到机械故障时能够进行自主的判断。
  3. 认知自主性:能够进行SLAM同步定位和绘制地图,能够自主学习,自主的进行任务的规划。

无人机除具备以上的能力外,再结合一些专业领域的应用设备,能够完成许多人类之前需要人工完成的繁琐工作,借助于无人机的机动性和大视野能够得到很好的解决。例如目前已经有在研究的巡线机器人,很好的解决了之前输变线巡检的难题,山地测绘、逃犯追捕、车祸现场测量等,之前都比较复杂的事情,借助于无人机和相应的传感器得到了很好的解决。在目前的无人机市场主要针对有个人用户主要用于娱乐的无人机,主要功能为拍照。而专业领域的无人机则更注重于无人机的运输和数据采集。

目前无人机的基本组成如下图:

目前无人机在运动控制方面主要包含以下几种运动方式:

  • 垂直运动
  • 俯仰运动
  • 滚转运动
  • 偏航运动
  • 前后运动
  • 侧向运动

目前无人机的研究趋向以下几个方向:

  • 大载荷
  • 自主飞行
  • 智能传感器技术
  • 多机编队协同控制技术
  • 微小型化

目前无人机研究中常用的控制方法

  • PID控制
  • 鲁棒控制
  • 模糊控制
  • 非线性控制
  • 自适应神经网络控制

无人机目前或将来可用领域

  • 航空摄影:摄像、拍照
  • 农业:农牧业监测、喷洒
  • 军事:军事监测、搜寻
  • 电力:线路检查
  • 能源行业:管路监护
  • 考古行业:探测、测量
  • 交通行业:事故现场勘测、路况监测
  • 救援:自然灾害、事故救援

实验室建设方案:本实验室的建设主要依照飞控研究和无人机编队以及多应用的需要进行建设,提供的方案如下:

名称:多旋翼无人机

内容:大疆 M600无人机

说明:负载:5KG

飞行时间:30 min

配备三套IMU和GNSS模块

(可选配RTK-GNSS)

悬停精度:垂直±0.5m,水平±1.5m

上升速度:5m/s

下降速度:3m/s

可承受风速:8m/s

水平飞行速度:65Km/h

飞行海拔高度:2500m

名称:航拍相机

内容:ZENMUSE X3

说明:传感器:CMOS 1/2.3″

镜头:f/2.8

FOV :94°

图像分辨率:4000*3000

图像存储格式:DNG/JPEG

视频存储格式:MP4/MOV

工作模式:拍照模式、录像模式、回放模式

云台参数:

可控转动范围:俯仰-90°至+30°水平±320°

最大控制转速:俯仰120°/s 水平180°/s

名称:激光雷达

内容和说明暂无,后续补

名称:热红外相机

内容和说明暂无,后续补

大疆M600型无人机具有高负载和优秀的飞行性能,采用模块化设计,进一步提升了可靠性,使用更便捷。M600搭载了专业级的飞行控制系统,配备三套IMU和GNSS模块,配合软件解析余度实现6路冗余导航系统,内置的飞行参数自适应的功能实现不同负载下参数免调,便捷易用。M600采用模块化的设计思路,易安装,并增减减震系统,六通道并行充电使用更方便。支持多款云台和第三方硬件设备,可扩展的RTK-GPS系统,为后期的应用提供的升级空间。

该套设备可开展研究:
1)飞行控制研究
多旋翼飞机的控制存在变量多、非线性等因素,飞行控制比较复杂,主要包含自主起降、姿态稳定、高度保持、位置保持、航迹点跟踪等方面。
2)无人机导航技术
目前无人机的导航基本基于INS/GPS的组合导航系统,这套组合系统结合了惯性导航和GPS导航的优势,可以实现GPS的完整性检测,提高了单一导航技术的可靠性,但这种导航方式局限于在高空或空旷的作业环境。基于此发展而来的惯导/地形匹配组合导航系统,基于目前相机、雷达技术发展和算法的优化改进,地形匹配定位的精度已经很高,对于装载有图像传感器的无人机上,能够有效的提高导航精度,减少惯性导航系统带来的累计误差。
3)无人机编队
在单个无人机定位、导航与通信研究的基础上,实现多个无人机系统控制技术。无人机编队即多家无人机进行某种特定的排列和任务分配的组织形式,包括队形的产生、保持和变化,也包括飞行任务的规划和组织。
4)特定领域应用研究
目前无人机已经应用到很多领域,为人类的生产生活提供了很大的帮助,无人机与其他领域功能模块的结合成为无人机研究的热点。

实验室建设目的:

该实验的建设为了能够满足进行无人机原理研究、无人机编队、无人机与其他传感器结合的研究等的多功能实验室。