低成本微小型無人機慣性組合導(dǎo)航技術(shù)研究.pdf

1、微小型無人機體積小、成本低，通常具有垂直起降、空中懸停和超低空飛行的特點，在科研、軍事、反恐、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等各個領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用價值。但是微小型無人機受自身負載、電池容量和成本的限制，只能搭載基于低成本MEMS慣性傳感器和衛(wèi)星定位系統(tǒng)的小型低功耗組合導(dǎo)航平臺。傳統(tǒng)的微小型無人機通常由操作人員在視距范圍內(nèi)控制飛行，并使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為唯一的位置信息來源。隨著自主返航和任務(wù)規(guī)劃等高級巡航功能的普及，以及偵查和搜救活動對精確地理坐標的

2、需求，越來越多的場合對微小型無人機在復(fù)雜環(huán)境下的自主定位和持續(xù)導(dǎo)航能力提出了要求。因此有必要對微小型無人機的慣性組合導(dǎo)航技術(shù)進行深入研究，通過相應(yīng)的技術(shù)手段在保證實用性的前提下不斷提高低成本慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)健性。
　　論文以微小型無人機組合導(dǎo)航平臺的研發(fā)為技術(shù)背景，圍繞該過程中所涉及的組合導(dǎo)航平臺軟硬件設(shè)計、平臺傳感器誤差分析與補償、無人機姿態(tài)測量算法、慣性組合導(dǎo)航算法以及上述各算法過程中的質(zhì)量控制方法等關(guān)鍵技術(shù)問題展

3、開了研究。論文的主要工作為:
　　1.根據(jù)論文研究內(nèi)容和實際需求自主設(shè)計了一款基于DSP和MEMS IMU(Inertialmeasurement unit)的低成本微小型無人機組合導(dǎo)航平臺，并在此平臺上分別對論文中提出的算法和觀點進行了驗證。設(shè)計了基于DSP/BIOS的實時操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，有效解決了一般采樣頻率下組合導(dǎo)航系統(tǒng)的時間同步問題，提高了多任務(wù)環(huán)境下復(fù)雜算法的執(zhí)行效率和實時性。
　　2.對組合導(dǎo)航平臺所集成的各類

4、低成本MEMS傳感器進行了誤差分析與標定。針對機載組合導(dǎo)航平臺在每次拆裝維護或更換使用環(huán)境后都需要重新標定的問題，設(shè)計了一套基于橢球擬合的加速度計和磁傳感器現(xiàn)場標定方法，并提出了一種基于四分位數(shù)和三維凸包容積的標定數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。該橢球擬合標定法可以獲得與傳統(tǒng)儀器標定法相似的標定精度，卻無需專業(yè)標定設(shè)備的參與。而標定數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法能夠有效剔除標定數(shù)據(jù)中的粗大誤差，并對橢球擬合過程中采樣數(shù)據(jù)的空間分布質(zhì)量進行評估，有助于提高標定結(jié)果的

5、可靠性和準確性，增強了橢球擬合標定法的實用性。
　　3.在傳統(tǒng)四元數(shù)姿態(tài)解算方法的基礎(chǔ)上通過引入零加速度假設(shè)和使用自適應(yīng)EKF進一步改善了低成本航姿測量系統(tǒng)的姿態(tài)解算精度。在此基礎(chǔ)上還設(shè)計了基于陀螺輔助和卡方檢驗的量測值誤差檢測和剔除算法對使用環(huán)境中的磁場干擾進行識別，有效改善了檢測結(jié)果的虛警率和漏警率，增強了姿態(tài)測量算法的穩(wěn)健性。
　　4.為低成本組合導(dǎo)航平臺設(shè)計了外部信息輔助的GPS/INS松組合導(dǎo)航算法，實現(xiàn)了微小型無

6、人機平臺衛(wèi)星定位系統(tǒng)和低成本慣性器件之間的有效融合。通過引入外部航向角觀測值和自差分氣壓高度值對組合導(dǎo)航結(jié)果進行了改善，并通過大量實驗進行了驗證。
　　5.設(shè)計了基于GPS接收機原始觀測值的緊組合導(dǎo)航算法對復(fù)雜環(huán)境下微小型無人機的持續(xù)導(dǎo)航能力進行改善，并提出了一系列緊組合相關(guān)量測值的質(zhì)量控制算法。通過對平臺GPS接收機的時鐘特性分析，提出了相應(yīng)的鐘跳檢測和誤差補償方法，對由此造成的偽距誤差進行了有效補償，同時也優(yōu)化了緊組合下的初始