基于改进人工势场法的旋翼飞行器的避障研究的开题报告.docx

基于改进人工势场法的旋翼飞行器的避障研究的开题报告
一、研究背景
随着无人飞行器的广泛应用，旋翼飞行器作为其中的重要角色，在各种任务中的运用越来越受到重视。然而，旋翼飞行器在飞行过程中不可避免地会遇到各种各样的障碍物，如建筑物、电线杆、树木等等。如何实现有效的避障能力是提高旋翼飞行器的安全性、功能性和应用范围的关键。
传统的避障方法包括基于激光雷达、视觉传感器等设备的避障技术。但是，这些技术通常需要高昂的成本和复杂的设备，同时依赖于环境的条件，限制其稳定性和可靠性。因此，人工势场法成为另一种研究避障问题的有效方法。
人工势场法是一种有效的避障控制方法，它模拟了粒子在势场中的运动规律，并应用于机器人领域中的路径规划和移动控制中。该方法以避免障碍物或达成目标为目标，结合了已知的地图和额外的感知信息来生成势场，使得机器人沿着最佳路径移动。基于人工势场的方法具有简单、易于实现和实时响应的优点。
二、研究内容
本文将重点探讨改进人工势场法在旋翼飞行器避障中的应用。首先，通过建立旋翼飞行器的动力学模型和环境障碍物模型，设计合适的势场函数，包括感知势场和障碍物势场，以实现旋翼飞行器的避障功能。在传统的人工势场法基础上，优化与改进线性化和非线性化部分，提高旋翼飞行器的精度和效率，使其更好地适应复杂的且存在动态变化的环境。
其次，采用ROS平台建立模拟环境，可在室内和室外自由组合障碍物和控制任务场景，使用PX4仿真软件进行模拟验证。通过多场景下的实验测试，验证改进人工势场法在提高旋翼飞行器避障性能方面的优越性。同时，对影响改进人工势场法效果的关键参数进行系统的分析和探究，进一步优化算法的性能。
三、研究意义
本文所提出的改进人工势场法具有以下主要意义：
1、提高旋翼飞行器避障的性能，实现其在更多场景下的自主飞行，满足更多的科学研究和实际应用需求；
2、优化和拓展传统人工势场法，提高旋翼飞行器的控制精度和效率，进一步提升其避障性能；
3、基于ROS平台和PX4仿真软件构建一个可重复使用、可扩展、可移植的模拟环境，为人工势场法在避障控制中的应用提供更好的验证和测试手段。
四、研究方法
本文采用以下研究方法：
1、研究旋翼飞行器的动力学模型和环境障碍物模型，设计合适的势场函数；
2、建立改进的人工势场算法，优化线性化和非线性化部分，并通过仿真实验进行验证；
3、采用ROS建立模拟环境，使用PX4进行仿真验证；
4、通过多场景实验验证改进人工势场法的性能，并对关键参数进行敏感性分析和优化。
五、预期成果
预期的成果包括：
1、设计出一种旋翼飞行器的避障控制方法，其中改进的人工势场法对其避障性能提升显著；
2、利用ROS平台搭建的仿真环境，能够模拟实际场景，对改进的人工势场算法进行验证和测试，并获得实验结果和数据；
3、开发出一套可重复使用、可扩展、可移植的软硬件实验系统，可在其他类似的避障控制研究领域中推广应用；
4、提供关键参数的敏感性分析和优化方法。