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1、“協(xié)同編隊(duì)飛行”是一種全新的無人機(jī)應(yīng)用模式,具有廣闊的前景和巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì),代表了無人機(jī)技術(shù)的未來發(fā)展方向,因而備受關(guān)注。
本文以無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行為背景,對(duì)編隊(duì)無人機(jī)之間的相對(duì)導(dǎo)航問題展開研究,通過對(duì)多種相對(duì)導(dǎo)航方案的對(duì)比,最終確定了慣導(dǎo)系統(tǒng)和VisNav視覺導(dǎo)航系統(tǒng)所組成的INS/VisNav相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)方案,并設(shè)計(jì)了多種相對(duì)導(dǎo)航濾波器,主要的內(nèi)容包括:
針對(duì)“長(zhǎng)機(jī)——僚機(jī)”編隊(duì)模式,推導(dǎo)了無人機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模
2、型,給出了陀螺、加速度計(jì)和VisNav視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量模型,對(duì)VisNav視覺導(dǎo)航系統(tǒng)在單矢量、雙矢量、三矢量以及多矢量觀測(cè)情況下可觀測(cè)性進(jìn)行了分析,為確定VisNav視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的工作條件提供了理論依據(jù)。采用最小二乘法處理VisNav視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù),估計(jì)出編隊(duì)無人機(jī)之間的相對(duì)姿態(tài)和相對(duì)位置。數(shù)學(xué)仿真分析顯示,最小二乘法的估計(jì)精度受無人機(jī)之間的相對(duì)位置關(guān)系所影響。
設(shè)計(jì)了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的INS/VisNav相
3、對(duì)導(dǎo)航濾波器。用長(zhǎng)機(jī)和僚機(jī)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)代替相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程中的角速度和加速度項(xiàng),獲得長(zhǎng)機(jī)和僚機(jī)之間的相對(duì)慣導(dǎo)方程,以相對(duì)慣導(dǎo)方程為基礎(chǔ),推導(dǎo)了擴(kuò)展卡爾曼濾波中的雅可比矩陣和測(cè)量敏感矩陣。考慮到長(zhǎng)機(jī)與僚機(jī)處于編隊(duì)飛行模式中,忽略重力項(xiàng)影響,從而簡(jiǎn)化了擴(kuò)展卡爾曼濾波算法,提高了運(yùn)算速度。
為了改善收斂性能,并提高估計(jì)精度,設(shè)計(jì)了基于Sigma-Point卡爾曼濾波算法的INS/VisNav相對(duì)導(dǎo)航濾波器。介紹了Unscent
4、ed卡爾曼濾波算法和中心差分卡爾曼濾波算法,通過對(duì)比分析上述兩種算法發(fā)現(xiàn),二者的共同點(diǎn)是利用Sigma-Point近似非線性函數(shù)。在設(shè)計(jì) Sigma-Point卡爾曼濾波器時(shí),考慮到姿態(tài)四元數(shù)的歸一化限制,采用羅德里格斯參數(shù)代表姿態(tài)誤差狀態(tài),保證了誤差協(xié)方差矩陣的非奇異性,仿真結(jié)果顯示,算法具有明顯的快速收斂性能。
考慮到當(dāng)系統(tǒng)噪聲不符合高斯分布時(shí),卡爾曼濾波難以取得高精度估計(jì),甚至發(fā)散,設(shè)計(jì)了基于Huber-Based濾波的
5、INS/VisNav相對(duì)導(dǎo)航濾波器,Huber-Based濾波器是一種魯棒濾波器,建立在1l、2l混合范數(shù)最小的基礎(chǔ)上,當(dāng)系統(tǒng)噪聲為受污染的高斯分布時(shí),該濾波方法具有一定的魯棒性。將 Huber-Based濾波與Sigma-Point濾波相結(jié)合,提出了一種魯棒Sigma-Point濾波方法,并設(shè)計(jì)了基于魯棒Sigma-Point濾波的相對(duì)導(dǎo)航濾波器,最后進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真研究。
精度和可靠性是衡量相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)性能的兩個(gè)重要準(zhǔn)則,本
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