无人机航姿参考系统开发及信息融合算法研究

发布时间：2017-05-23 15:08

  本文关键词：无人机航姿参考系统开发及信息融合算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：不论是控制或导航系统都需要准确的飞行姿态。一般载人的飞机多使用惯性导航系统(INS)来提供可靠与准确的姿态与导航信息,但是无人机(UAV)受于重量、体积与经费等因素限制,无法安装高性能的INS。随着微机电系统(MEMS)与嵌入式系统的飞速发展,使得用低成本小型化航姿参考系统(AHRS)来提供UAV所需的飞行姿态成为可能。本文研究一种基于MEMS传感器与数字信号处理器(DSP)的微小型航姿参考系统。 首先综述了微惯性导航系统、微惯性传感器及微航姿参考系统的国内外发展简介；分析了信息融合算法的国内外相关技术的发展状况及趋势。接下来研究使用不同的传感器与算法进行姿态估计的特点,提出适用于小型UAV的姿态估计方案。为了提升姿态估测的性能与可靠度,提出使用基于四元数的扩展卡尔曼滤波器(EKF)与无迹卡尔曼滤波器(UKF)进行多传感器信息整合的方法。并通过仿真对比确定采用UKF算法进行多传感器信息融合。 以上述为基础,搭建基于DSP与MEMS器件的硬件平台,并在Code Warrior集成开发环境下进行软件设计。为了验证AHRS的性能,进行静态与动态试验。由测试的结果得知该系统静态测量误差约±0.1度；动态测量平均误差约士2度。验证了所开发的AHRS能够提供可接受且稳定的姿态,证明算法和程序的实用性。 然而,用低成本MEMS器件开发的AHRS容易受震动等外界环境的影响。为了开发一套适用于带引擎的小型UAV的AHRS,提出一种整合陀螺仪与单天线GPS的姿态估计方法。通过仿真表明该方法即使在陀螺仪漂移和伪姿态包含噪声的情况下,也拥有较好的长期和短期精度,提升了姿态估测的精度与可靠度。为下一步工程应用设计打下了基础。
【关键词】：无人机 航姿参考系统(AHRS) 姿态估计 信息融合
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景10-14
• 1.1.1 无人机发展概述10-11
• 1.1.2 微惯性导航系统概况11-12
• 1.1.3 MEMS传感器的发展概况12-13
• 1.1.4 国内外航姿参考系统的研究现状13-14
• 1.2 信息融合技术在导航系统的应用发展14-16
• 1.2.1 Kalman滤波14-15
• 1.2.2 扩展Kalman滤波15
• 1.2.3 UKF滤波15-16
• 1.3 研究目的意义与主要内容16-18
• 1.3.1 课题来源16
• 1.3.2 研究目的16-17
• 1.3.3 研究意义17
• 1.3.4 研究内容17-18
• 第二章 传感器在航姿参考系统开发中的应用18-26
• 2.1 捷联姿态算法18-21
• 2.1.1 载体姿态表示法18-19
• 2.1.2 姿态矩阵与姿态角关系19-21
• 2.2 基于陀螺仪的姿态估计方法21-22
• 2.3 基于加速度计与磁强计的姿态估计方法22-23
• 2.4 基于GPS的姿态估计方法23-24
• 2.5 不同传感器姿态估计方法对比24-25
• 2.6 本章小结25-26
• 第三章 基于多传感器进行姿态估计的融合算法26-43
• 3.1 基于四元数的扩展卡尔曼滤波器26-29
• 3.2 基于UKF的姿态融合算法29-34
• 3.2.1 UKF介绍29-30
• 3.2.2 UKF设计30-32
• 3.2.3 UKF实现过程32-34
• 3.3 算法的仿真对比34-42
• 3.3.1 仿真模型34-38
• 3.3.2 仿真结果分析38-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 基于DSP与MEMS器件的航姿参考系统设计43-61
• 4.1 系统需求分析43-45
• 4.1.1 传感器需求分析44
• 4.1.2 微型数字处理器需求分析44-45
• 4.2 航姿参考系统的硬件设计45-46
• 4.2.1 总体方案设计45-46
• 4.3 主要器件选型46-48
• 4.3.1 信号采集处理与传输模块46
• 4.3.2 传感器模块46-48
• 4.4 系统主要模块硬件设计48-51
• 4.4.1 模数转换模块48-49
• 4.4.2 串口通信模块49-50
• 4.4.3 定时器功能50-51
• 4.4.4 中断控制51
• 4.5 航姿参考系统的软件设计51-53
• 4.5.1 CodeWarrior集成开发环境简介51-52
• 4.5.2 软件设计流程52-53
• 4.6 主要模块软件设计53-60
• 4.6.1 DSP与上位机串口通讯程序53-55
• 4.6.2 ADC数据采集程序55-56
• 4.6.3 姿态解算算法实现程序56-60
• 4.6.4 信息融合算法实现60
• 4.7 本章小结60-61
• 第五章 航姿参考系统实验研究61-70
• 5.1 AHRS实验设计61-63
• 5.1.1 试验方案设计61-62
• 5.1.2 上位机设计62-63
• 5.2 系统的综合调试63-68
• 5.2.1 传感器信号采集试验63-64
• 5.2.2 静态试验64-65
• 5.2.3 动态试验65-68
• 5.3 本章小结68-70
• 第六章 航姿参考系统的进一步改进研究70-76
• 6.1 基于四元数的EKF融合陀螺仪与单天线GPS姿态70-73
• 6.1.1 传感器融合算法70-72
• 6.1.2 通过KF估计加速度72-73
• 6.2 仿真分析73-75
• 6.3 结论与小结75-76
• 第七章 总结与展望76-78
• 7.1 工作总结76-77
• 7.2 工作展望77-78
• 参考文献78-82
• 附录82-86
• 致谢86-87
• 攻读硕士学位期间主要研究成果87

【参考文献】

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