无人机航姿解算技术的研究

发布时间：2023-04-01 20:00

　　本文针对多旋翼无人机航姿解算的关键技术进行研究,在椭球拟合与最小二乘法基础上,改进航姿参考系统中传感器误差补偿的传统方法。在四元数约束的容积卡尔曼滤波算法基础上对算法进行改进,使系统协方差矩阵Q与观测协方差矩阵R随算法迭代自适应更新。其实验结果表明该改进算法,更适合不同运动状态下的多旋翼无人机进行航姿解算。设计了基于FPGA的航姿解算平台,开展了多传感器误差形成机理与影响程度分析,多传感器输出噪声特性分析,航姿解算误差分析以及高精度、高实用性的航姿解算技术方面的研究,主要包括:(1)设计陀螺仪、加速度计与磁力计误差标定算法根据惯性导航技术和基于MEMS的陀螺仪、加速度计与磁力计的整体测量结构,分析三种MEMS传感器误差形成机理以及影响程度,分别建立三种惯性传感器的误差模型,并根据误差模型对三种传感器进行标定,获得关键误差项。通过误差模型反推补偿算法,降低三种传感器自身存在的误差,为航姿解算提供保障。(2)设计基于容积卡尔曼滤波与四元数的数据融合算法提出以容积卡尔曼滤波为基础,四元数约束下的一种数据融合算法,通过不断迭代的方式,对多旋翼无人机的三个姿态角信息进行解算。通过算法中参数的数值...

【文章页数】：68 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 航姿解算技术研究现状
        1.2.1 无人机航姿解算技术
        1.2.2 国内外航姿解算系统研究现状
    1.3 小型无人机航姿解算技术发展趋势
    1.4 论文主要内容及章节安排
第2章 无人机惯性导航系统基础理论
    2.1 惯性导航系统
    2.2 惯性导航系统中的航姿解算概述
    2.3 坐标系定义及转换
    2.4 姿态角的表述
        2.4.1 欧拉角
        2.4.2 方向余弦法
        2.4.3 四元数
    2.5 航姿解算
    2.6 本章小结
第3章 航姿参考系统
    3.1 航姿参考系统组成
    3.2 多传感器误差及补偿
        3.2.1 陀螺仪误差分析
        3.2.2 基于最小二乘法的陀螺仪误差补偿
        3.2.3 加速度计误差分析
        3.2.4 基于最大似然估计加速度计误差补偿
        3.2.5 磁力计误差分析
        3.2.6 两步法椭球拟合的磁力计误差补偿
    3.3 实验仿真
        3.3.1 陀螺仪实验仿真
        3.3.2 加速度计实验仿真
        3.3.3 磁力计实验仿真
    3.4 本章小结
第4章 航姿解算算法设计
    4.1 多旋翼无人机姿态解算原理
    4.2 飞行姿态解算算法设计
        4.2.1 互补滤波姿态理论
        4.2.2 卡尔曼滤波理论
        4.2.3 容积卡尔曼滤波理论
    4.3 基于四元数的容积卡尔曼滤波及其改进
        4.3.1 系统状态方程
        4.3.2 系统测量方程
        4.3.3 基于四元数的容积卡尔曼滤波改进方法
    4.4 仿真结果
    4.5 本章小结
第5章 无人机航姿解算FPGA的实现
    5.1 FPGA简介
    5.2 基于FPGA的飞行姿态解算系统硬件设计
        5.2.1 FPGA芯片的选择依据
        5.2.2 系统电源电路
        5.2.3 系统时钟与复位电路
        5.2.4 FPGA的配置电路
    5.3 基于FPGA的飞行姿态解算系统软件设计
        5.3.1 软件总体设计
        5.3.2 多传感器接口模块设计
        5.3.3 多传感器数据转换模块设计
        5.3.4 航姿解算模块设计
    5.4 本章小结
第6章 展望与总结
    6.1 本文内容总结
    6.2 本文内容展望
致谢
参考文献
作者简介
攻读硕士学位期间研究成果



本文编号：3777774