基于MIMU/GPS组合的微型航姿参考最小系统研究与实现
发布时间：2020-12-04 20:31
微型无人机具有低成本、低功耗、高机动性、高隐蔽性等优点,近年来在军事和民用领域得到快速发展。航姿系统为无人机的姿态控制回路提供所需的姿态与航向信息,是确保飞行安全和性能的必备机载航电系统之一。传统的无人机航姿系统成本高且较为笨重,不适合微小型无人机使用。本文研究内容是为某微型无人机研制一款航姿系统,完成无人机姿态角的实时解算。首先,基于MEMS惯性传感器的误差源分析,分别采用基于重力场激励、基于递推最小二乘法和基于正反恒转速激励的转台实验对加速度计、磁力计和陀螺仪的确定性误差进行标定。采用时间序列分析法对陀螺仪的随机误差建立精确模型,并利用Kalman滤波器对其进行滤波。其次,针对基于重力场和地磁场的航姿系统易受载体机动状态影响的问题,引入利用GPS导出机体运动加速度,以提高载体机动时的测姿精度。采用JERK模型建立卡尔曼滤波方程进而导出运动加速度,以补偿MEMS加速度计。采用梯度下降算法对补偿后的加速度计和磁力计的输出进行预处理,构造互补滤波中四元数形式的反馈修正量,然后利用参数可调节的四元数互补滤波将其与陀螺仪的四元数姿态导出进行融合,从而得到高精度的全姿态估计。最后通过仿真实验验...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“指针”微型无人机
自备的程序控制设备进行操纵的不载人飞机，简称“无人机”[1]。无人机最早可追溯到一战期，1917 年英国研制出第一架无人机[2]。与有人飞机相比，无人机费效比高，无人员伤亡，有质量轻、体积小、机动性和隐身性好、续航时间长等特点，尤其适合危险系数高的作战领[3]，未来将朝着高空长航时、智能化、隐身化、多功能化等方向发展[4]。微小型无人机是近年无人机快速发展的一个重要分支，在 2003 年国际无人机系统协（AUVSI）上，将微小型无人机定义（Micro Unmanned Air Vehicle，英文缩写 MUAV ）为行高度小于 250m、航程小于 10km、续航大于 1h、起飞质量小于 5kg 的无人航空器[5]。微型人机的研制最早开始于 1986 年美国航宇环境公司 Aero Vironment 的 FQM-151A“指针”无人项目，如图 1.1 所示。该无人机主要采用气压高度表、电子罗盘和 GPS 接收机进行导航，能自动导航，飞经预编程航线点，并可自动待机巡逻。1999 年航宇环境公司研制出了更加适合市地形和单兵作战的“渡鸦”无人机，只需士兵徒手投掷即可起飞，在战场侦察的应用上表优异，美军阿富汗战争中得到了大量应用，并已成为目前全球量产最多的微小型无人机[6]，图 1.2。以色列和中国紧随美国其后，典型的型号有以色列的微小型无人机“云雀（Skylark）系列、“陨石（SkyLite）”、 “鸟眼（BirdEye）”等和我国的“鹰眼”、 “暗箭”、 “WJ-60等。在日本、德国等国，微型无人机技术也受到极大关注。
仅控制简单、可实现悬停，还可以通过WiFi将所搭载相机拍摄到的图像传送到手机上。在Drone的引领下，全球范围内掀起了一股将多旋翼商业化的热潮，多旋翼小型飞行器进入快展期。中国DJI（大疆创新）的Phantom、Inspire等系列微小型无人机在工业及商业领域获大成功，已占到了超过60%的全球份额。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机系统发展与关键技术综述[J]. 陶于金,李沛峰. 航空制造技术. 2014(20)
[2]四旋翼飞行器航姿测量系统的数据融合方法[J]. 张浩,任芊. 兵工自动化. 2013(01)
[3]全姿态光纤陀螺井眼轨迹连续测量仪研究[J]. 任春华,李兵,赵幸子,廖冠,李静伟. 仪器仪表学报. 2012(12)
[4]微型无人机将改变“游戏规则”——美军微型无人机的发展[J]. 彭小龙,宗刚,郭翔,王红武,刘杰,郭相春,赵曙东,张昌令. 飞航导弹. 2012(10)
[5]基于四元数的MARG传感器姿态测量算法[J]. 刘兴川,张盛,李丽哲,林孝康. 清华大学学报(自然科学版). 2012(05)
[6]捷联惯性导航系统整体标定新方法[J]. 张华强,赵剡,陈雨. 北京航空航天大学学报. 2012(04)
[7]基于PD算法的四旋翼飞行器控制系统研究[J]. 侯永锋,陆连山,高尚德,刘雨生. 机械科学与技术. 2012(03)
[8]ArcGIS中几种坐标系转换方法的应用研究[J]. 李平,卢立. 城市勘测. 2012(01)
[9]基于递推最小二乘的在线罗差校正方法[J]. 管斌,高扬,王成宾,乌萌. 中国惯性技术学报. 2012(01)
[10]航姿参考系统中一种自适应卡尔曼滤波算法[J]. 田易,孙金海,李金海,阎跃鹏. 西安电子科技大学学报. 2011(06)
博士论文
[1]基于四元数非线性滤波的飞行器姿态确定算法研究[D]. 乔相伟.哈尔滨工程大学 2011
[2]航空重力测量中GPS定位、速度及加速度解算技术与应用[D]. 李晓斌.中国地质大学（北京） 2010
[3]基于MEMS的低成本MIMU的应用研究[D]. 刘危.国防科学技术大学 2004
硕士论文
[1]基于MEMS惯性传感器的微小型航姿参考系统的设计与研究[D]. 罗琴.上海交通大学 2012
[2]基于MEMS的微小型嵌入式航姿系统的实现[D]. 牛妍.南京航空航天大学 2010
[3]新型单天线GPS测姿系统的研究[D]. 刘璐.南京航空航天大学 2007
本文编号：2898200
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“指针”微型无人机
自备的程序控制设备进行操纵的不载人飞机，简称“无人机”[1]。无人机最早可追溯到一战期，1917 年英国研制出第一架无人机[2]。与有人飞机相比，无人机费效比高，无人员伤亡，有质量轻、体积小、机动性和隐身性好、续航时间长等特点，尤其适合危险系数高的作战领[3]，未来将朝着高空长航时、智能化、隐身化、多功能化等方向发展[4]。微小型无人机是近年无人机快速发展的一个重要分支，在 2003 年国际无人机系统协（AUVSI）上，将微小型无人机定义（Micro Unmanned Air Vehicle，英文缩写 MUAV ）为行高度小于 250m、航程小于 10km、续航大于 1h、起飞质量小于 5kg 的无人航空器[5]。微型人机的研制最早开始于 1986 年美国航宇环境公司 Aero Vironment 的 FQM-151A“指针”无人项目，如图 1.1 所示。该无人机主要采用气压高度表、电子罗盘和 GPS 接收机进行导航，能自动导航，飞经预编程航线点，并可自动待机巡逻。1999 年航宇环境公司研制出了更加适合市地形和单兵作战的“渡鸦”无人机，只需士兵徒手投掷即可起飞，在战场侦察的应用上表优异，美军阿富汗战争中得到了大量应用，并已成为目前全球量产最多的微小型无人机[6]，图 1.2。以色列和中国紧随美国其后，典型的型号有以色列的微小型无人机“云雀（Skylark）系列、“陨石（SkyLite）”、 “鸟眼（BirdEye）”等和我国的“鹰眼”、 “暗箭”、 “WJ-60等。在日本、德国等国，微型无人机技术也受到极大关注。
仅控制简单、可实现悬停，还可以通过WiFi将所搭载相机拍摄到的图像传送到手机上。在Drone的引领下，全球范围内掀起了一股将多旋翼商业化的热潮，多旋翼小型飞行器进入快展期。中国DJI（大疆创新）的Phantom、Inspire等系列微小型无人机在工业及商业领域获大成功，已占到了超过60%的全球份额。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机系统发展与关键技术综述[J]. 陶于金,李沛峰. 航空制造技术. 2014(20)
[2]四旋翼飞行器航姿测量系统的数据融合方法[J]. 张浩,任芊. 兵工自动化. 2013(01)
[3]全姿态光纤陀螺井眼轨迹连续测量仪研究[J]. 任春华,李兵,赵幸子,廖冠,李静伟. 仪器仪表学报. 2012(12)
[4]微型无人机将改变“游戏规则”——美军微型无人机的发展[J]. 彭小龙,宗刚,郭翔,王红武,刘杰,郭相春,赵曙东,张昌令. 飞航导弹. 2012(10)
[5]基于四元数的MARG传感器姿态测量算法[J]. 刘兴川,张盛,李丽哲,林孝康. 清华大学学报(自然科学版). 2012(05)
[6]捷联惯性导航系统整体标定新方法[J]. 张华强,赵剡,陈雨. 北京航空航天大学学报. 2012(04)
[7]基于PD算法的四旋翼飞行器控制系统研究[J]. 侯永锋,陆连山,高尚德,刘雨生. 机械科学与技术. 2012(03)
[8]ArcGIS中几种坐标系转换方法的应用研究[J]. 李平,卢立. 城市勘测. 2012(01)
[9]基于递推最小二乘的在线罗差校正方法[J]. 管斌,高扬,王成宾,乌萌. 中国惯性技术学报. 2012(01)
[10]航姿参考系统中一种自适应卡尔曼滤波算法[J]. 田易,孙金海,李金海,阎跃鹏. 西安电子科技大学学报. 2011(06)
博士论文
[1]基于四元数非线性滤波的飞行器姿态确定算法研究[D]. 乔相伟.哈尔滨工程大学 2011
[2]航空重力测量中GPS定位、速度及加速度解算技术与应用[D]. 李晓斌.中国地质大学（北京） 2010
[3]基于MEMS的低成本MIMU的应用研究[D]. 刘危.国防科学技术大学 2004
硕士论文
[1]基于MEMS惯性传感器的微小型航姿参考系统的设计与研究[D]. 罗琴.上海交通大学 2012
[2]基于MEMS的微小型嵌入式航姿系统的实现[D]. 牛妍.南京航空航天大学 2010
[3]新型单天线GPS测姿系统的研究[D]. 刘璐.南京航空航天大学 2007
本文编号：2898200
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