旋翼無(wú)人機(jī)中的多模型組合導(dǎo)航技術(shù).pdf

1、旋翼無(wú)人機(jī)以其體積小、重量輕、飛行機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于民用和軍用領(lǐng)域。隨著飛行任務(wù)和飛行環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性的不斷增加，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、可靠性以及自主性等方面提出了越來(lái)越高的要求。目前旋翼無(wú)人機(jī)中常采用基于多傳感器配置的單一模型組合導(dǎo)航方式，在無(wú)人機(jī)處于機(jī)動(dòng)和環(huán)境變化情況下會(huì)帶來(lái)模型誤差，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)其導(dǎo)航信息。而多模型估計(jì)方法是一種新型的自適應(yīng)估計(jì)方法，適用于結(jié)構(gòu)或參數(shù)不確定的復(fù)雜系統(tǒng)，能夠避免單一

2、模型不準(zhǔn)確帶來(lái)的影響，近年來(lái)主要在目標(biāo)跟蹤、過(guò)程控制等領(lǐng)域中得到應(yīng)用，但在飛行器多信息融合導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域中還未完全展開(kāi)深入研究與應(yīng)用工作。本文以旋翼無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，開(kāi)展多模型組合導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究，旨在有效提高無(wú)人機(jī)在復(fù)雜機(jī)動(dòng)環(huán)境下導(dǎo)航系統(tǒng)的精度與可靠性。
　　目前，應(yīng)用于旋翼無(wú)人飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器主要包括低精度MEMS傳感器、GPS、氣壓高度計(jì)、聲吶系統(tǒng)等，以此為基礎(chǔ)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)想要獲得更高精度的導(dǎo)航信息必須對(duì)機(jī)載傳感

3、器進(jìn)行誤差建模與標(biāo)定補(bǔ)償工作。論文首先對(duì)旋翼無(wú)人飛行器機(jī)載導(dǎo)航傳感器誤差特性進(jìn)行了分析，分別對(duì)機(jī)載IMU、磁強(qiáng)計(jì)、聲吶傳感器和氣壓高度計(jì)建立了誤差模型；其次，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析及誤差模型參數(shù)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)傳感器誤差補(bǔ)償，避免了由于傳感器固定誤差帶來(lái)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)誤差積累。
　　機(jī)載傳感器誤差特性的研究是組合導(dǎo)航系統(tǒng)模型建立的基礎(chǔ)。旋翼無(wú)人飛行器在應(yīng)用過(guò)程中由于其復(fù)雜的機(jī)動(dòng)特性和環(huán)境因素，建立準(zhǔn)確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型存在很大的難度。因此

4、論文對(duì)適用于時(shí)變、不確定復(fù)雜系統(tǒng)估計(jì)的多模型方法進(jìn)行了研究。針對(duì)復(fù)雜條件下模型數(shù)量增加，模型辨識(shí)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，提出了基于分散狀態(tài)的多模型估計(jì)方法，通過(guò)狀態(tài)量的分散估計(jì)，有效提高了模型辨識(shí)準(zhǔn)確率，并減少了所需模型數(shù)量，降低了計(jì)算量；同時(shí)，針對(duì)交互多模型估計(jì)算法對(duì)模型先驗(yàn)概率轉(zhuǎn)移矩陣的過(guò)分依賴，提出一種模型概率轉(zhuǎn)移方法，有效提高了模型轉(zhuǎn)移的速度和準(zhǔn)確性，為無(wú)人機(jī)的多模型組合導(dǎo)航算法改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。
　　在對(duì)多模型理論研究與改進(jìn)的基

5、礎(chǔ)上，針對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了多模型方法的應(yīng)用與驗(yàn)證。由于陀螺零偏受溫度影響較大，基于擴(kuò)充狀態(tài)的零偏估計(jì)無(wú)法消除陀螺零偏時(shí)漂及溫漂帶來(lái)的姿態(tài)解算誤差，對(duì)此提出基于交互多模型的姿態(tài)估計(jì)算法，通過(guò)建立不同環(huán)境下陀螺零偏漂移模型，采用磁強(qiáng)計(jì)輔助姿態(tài)信息進(jìn)行多模型融合，消除了陀螺零偏變化帶來(lái)的影響，提高了無(wú)人機(jī)復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用中的系統(tǒng)姿態(tài)估計(jì)精度；其次，針對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)INS/GPS/氣壓高度計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)量測(cè)噪聲模型未知時(shí)變問(wèn)題，設(shè)

6、計(jì)了旋翼無(wú)人機(jī)有色噪聲時(shí)變情況下的多模型組合導(dǎo)航濾波算法，根據(jù)無(wú)人機(jī)量測(cè)噪聲特性構(gòu)建系統(tǒng)模型集，采用基于非線性UKF的交互多模型估計(jì)算法實(shí)時(shí)計(jì)算各個(gè)模型的概率，以逼近實(shí)際系統(tǒng)模型，從而避免了單一模型的片面性，獲得了準(zhǔn)確的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果，增強(qiáng)了無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。
　　在上述理論和方法研究的基礎(chǔ)上，為了對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)誤差特性及融合方法進(jìn)行驗(yàn)證，論文通過(guò)搭載的多導(dǎo)航傳感器的旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行了室內(nèi)、室外飛行試驗(yàn)驗(yàn)證工作，驗(yàn)