多旋翼飞行器的多传感器组合导航控制系统研究

发布时间：2017-08-25 18:14

  本文关键词：多旋翼飞行器的多传感器组合导航控制系统研究

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【摘要】：组合导航系统是多旋翼无人飞行器的重要组成部分,是其实现稳定自主飞行的基础。本文以作者所在实验室设计研制的6轴十二旋翼飞行器为实验对象,以国家自然基金为资金支撑,对机载多传感器组合导航系统这一关键技术展开研究工作。论文结合多旋翼无人飞行器动力学理论、传感器误差建模与校正理论与多信息源数据融合理论,针对多旋翼无人飞行器噪声统计特性、导航信息的需求特点、外部环境干扰等实际飞行条件,设计了基于多种传感器的组合导航系统,保证飞行姿态、速度、位置信息的精度和稳定度,最后通过飞行试验,验证导航系统。论文将从以下几个方面论述:(1)对多旋翼无人飞行器的动力学特性进行了研究,通过合理的假设与简化,建立了具有一定实际物理意义的新型多旋翼无人飞行器数学模型,研究多传感器组合导航系统信息融合技术的理论与方法,针对多旋翼无人飞行器动力学上的特性,确定组合导航系统的数据融合结构,同时完成力学编排和导航信息解算工作。(2)对主要传感器的特性和误差补偿进行了研究,建立了确定性误差和随机误差模型,通过椭球拟合法,一次校正多个传感器的确定性误差;应用Kalman滤波算法对随机误差进行了校正,实验效果良好。同时针对磁力计误差的特殊性,设计了一套磁力计校正方法,使用离线空间最小二乘法对控制量变化带来的罗差进行校正,得到了准确的磁力计数据。(3)进行组合导航信息融合技术的研究,建立信息融合系统数学模型,针对多旋翼无人飞行器自身扰动特点,设计了导航信息融合结构,改进了数据融合算法,保证得到的导航信息精确可靠,可以很好地支持无人飞行器自主飞行。(4)研究姿态稳定和轨迹跟踪控制方法,研究了飞行器的姿态稳定控制算法,解决了外界未知扰动对飞行姿态控制效果的影响,有效抵抗外部环境干扰;分别采用改进前后的组合导航系统进行轨迹跟踪飞行实验,完成对导航系统的考核,最终实现无人飞行器自主飞行。在论文的最后,进行了全文工作情况和主要创新点的总结,并对今后进一步的工作进行了展望。
【关键词】：多旋翼无人飞行器 传感器误差校正 信息融合 自适应Kalman滤波 多旋翼飞行器控制
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 研究背景及研究意义12-14
• 1.2 相关领域的研究现状14-24
• 1.2.1 多旋翼无人飞行器研究现状14-19
• 1.2.2 组合导航系统研究现状19-24
• 1.3 存在的主要问题24-25
• 1.4 研究目的及研究内容25-27
• 1.4.1 研究目的25
• 1.4.2 研究内容25-27
• 1.5 本章小结27-28
• 第2章 动力学模型及融合结构28-44
• 2.1 前言28
• 2.2 Hex-rotor基本结构介绍28-30
• 2.3 参考坐标系30-32
• 2.3.1 参考坐标系定义30-31
• 2.3.2 各个坐标系间的转化关系31-32
• 2.4 Hex-rotor无人飞行器运动模型的建立32-36
• 2.4.1 建立飞行器的动力学方程33-35
• 2.4.2 建立飞行器的运动学方程35-36
• 2.5 导航信息融合结构与基本融合算法36-43
• 2.5.1 组合导航信息融合结构36-37
• 2.5.2 力学编排与导航解算37-40
• 2.5.3 组合导航信息融合算法40-43
• 2.6 本章小结43-44
• 第3章 传感器特性分析与误差校正44-66
• 3.1 前言44
• 3.2 传感器介绍与特性分析44-50
• 3.2.1 数字陀螺仪45-46
• 3.2.2 加速度计46-47
• 3.2.3 数字磁力计47-48
• 3.2.4 气压高度计48-49
• 3.2.5 激光测距模块49-50
• 3.3 传感器误差分析和校正50-64
• 3.3.1 确定性误差50-56
• 3.3.2 随机误差56-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第4章 导航信息融合66-84
• 4.1 前言66
• 4.2 姿态信息融合66-75
• 4.2.1 姿态信息融合结构67
• 4.2.2 姿态角信息融合系统建模67-68
• 4.2.3 姿态角信息融合算法的设计68-73
• 4.2.4 姿态角信息融合试验与分析73-75
• 4.3 速度和位置信息融合75-83
• 4.3.1 水平方向速度和位置信息融合75-78
• 4.3.2 垂直方向速度和位置信息融合78-83
• 4.4 本章小结83-84
• 第5章 多旋翼无人飞行器控制系统设计84-100
• 5.1 前言84-85
• 5.2 姿态稳定控制器85-90
• 5.2.1 姿态控制模型85-86
• 5.2.2 姿态稳定控制算法86-89
• 5.2.3 姿态角算法仿真89-90
• 5.3 轨迹跟踪控制器90-97
• 5.3.1 轨迹跟踪控制模型91
• 5.3.2 轨迹跟踪控制器设计91-95
• 5.3.3 轨迹跟踪控制器仿真95-97
• 5.4 实际飞行对比试验97-99
• 5.4.1 姿态飞行对比试验98
• 5.4.2 轨迹跟踪飞行试验98-99
• 5.5 本章小结99-100
• 第6章 总结与展望100-104
• 6.1 论文工作总结与主要创新100-101
• 6.2 论文工作展望101-104
• 参考文献104-114
• 在学期间学术成果情况114-116
• 指导教师及作者简介116-118
• 致谢118

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1 宋亚平;浅谈旋翼的防腐维护[J];航空维修与工程;2004年04期

2 _5^懔，

本文编号：737729