基于偏振光的無人機航姿測量系統(tǒng)研究.pdf

1、導(dǎo)航系統(tǒng)是無人機控制系統(tǒng)中重要的組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種導(dǎo)航方式逐漸出現(xiàn)，目前的導(dǎo)航方式存在各自的優(yōu)勢和不足，應(yīng)用場景不同。為了提高導(dǎo)航精度和導(dǎo)航系統(tǒng)的魯棒性，除提高導(dǎo)航傳感器的制造工藝以提高傳感器的測量精度外，探索新型的導(dǎo)航方式也是重要的研究方向。利用天空中的偏振光信息進行仿生導(dǎo)航是國內(nèi)外近年來的研究熱點，其具有抗電磁干擾能力強、隱蔽性好的特點，是自主的導(dǎo)航方式。本文的研究內(nèi)容是將偏振光傳感器和慣導(dǎo)進行組合，對無人機進行

2、三維定姿。
　　本文涉及的主要工作內(nèi)容如下：
　　本文對與導(dǎo)航相關(guān)的概念進行了解釋，對捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的解算原理進行了推導(dǎo)，針對定位級別的高精度慣性測量單元和MEMS級別的低精度慣性測量單元利用Matlab進行了捷聯(lián)慣導(dǎo)的仿真實驗，通過實驗證明了捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)由于解算原理所致，其導(dǎo)航誤差隨時間累計，MEMS的低精度慣性測量單元只能用于無人機的三維定姿。
　　針對基于偏振光傳感器導(dǎo)航的實驗需要搭建固定翼無人機實驗平臺。本無人

3、機實驗平臺是以開源飛控項目Paparazzi為基礎(chǔ)搭建的，利用了其易擴展的特性，從軟硬件方面對實驗平臺進行了分析，利用實驗平臺進行了無人機自主飛行實驗和偏振光傳感器的機載數(shù)據(jù)采集實驗。無人機的自主飛行實驗成功證明了飛控系統(tǒng)輸出的三維姿態(tài)準(zhǔn)確，可以為后續(xù)算法驗證提供參考標(biāo)準(zhǔn)。
　　提出了基于偏振光傳感器的四元數(shù)互補濾波算法。首先對互補濾波算法的結(jié)構(gòu)進行了推導(dǎo)和證明，然后分別通過陀螺儀與加速度計的互補、IMU與偏振光傳感器的互補，分別

4、補償了陀螺儀的XY軸誤差項和Z軸誤差項，通過實驗數(shù)據(jù)表明設(shè)計的基于偏振光傳感器的四元數(shù)互補濾波算法在準(zhǔn)靜態(tài)條件下能夠輸出準(zhǔn)確的三維姿態(tài)角。
　　提出了補償運動加速度的互補濾波算法。針對基于偏振光傳感器的四元數(shù)互補濾波算法只能適合無人機運動加速度為零的情況，對算法進一步優(yōu)化，利用空速計補償無人機在平穩(wěn)飛行階段的向心加速度。本文對比了補償運動加速度前后的仿真實驗結(jié)果，實驗表明補償運動加速的互補濾波算法能夠在無人機平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎情況下準(zhǔn)確輸出