低成本微小型無人機(jī)慣性組合導(dǎo)航技術(shù)研究.pdf

1、微小型無人機(jī)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(diǎn)，在科研、軍事、反恐、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值。但是微小型無人機(jī)受自身負(fù)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(jī)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(biāo)的

2、需求，越來越多的場合對微小型無人機(jī)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(jī)的慣性組合導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行深入研究，通過相應(yīng)的技術(shù)手段在保證實(shí)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(zhǔn)確性和穩(wěn)健性。
　　論文以微小型無人機(jī)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(jì)、平臺傳感器誤差分析與補(bǔ)償、無人機(jī)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(shí)際需求自主設(shè)計(jì)了一款基于DSP和MEMS IMU(Inertialmeasurement unit)的低成本微小型無人機(jī)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(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證。設(shè)計(jì)了基于DSP/BIOS的實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)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(jìn)行了誤差分析與標(biāo)定。針對機(jī)載組合導(dǎo)航平臺在每次拆裝維護(hù)或更換使用環(huán)境后都需要重新標(biāo)定的問題，設(shè)計(jì)了一套基于橢球擬合的加速度計(jì)和磁傳感器現(xiàn)場標(biāo)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(biāo)定數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。該橢球擬合標(biāo)定法可以獲得與傳統(tǒng)儀器標(biāo)定法相似的標(biāo)定精度，卻無需專業(yè)標(biāo)定設(shè)備的參與。而標(biāo)定數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法能夠有效剔除標(biāo)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(jìn)行評估，有助于提高標(biāo)定結(jié)果的

5、可靠性和準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了橢球擬合標(biāo)定法的實(shí)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(jìn)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(jì)了基于陀螺輔助和卡方檢驗(yàn)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(jìn)行識別，有效改善了檢測結(jié)果的虛警率和漏警率，增強(qiáng)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(jì)了外部信息輔助的GPS/INS松組合導(dǎo)航算法，實(shí)現(xiàn)了微小型無

6、人機(jī)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(jìn)行了改善，并通過大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　5.設(shè)計(jì)了基于GPS接收機(jī)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(jī)的持續(xù)導(dǎo)航能力進(jìn)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(jī)的時(shí)鐘特性分析，提出了相應(yīng)的鐘跳檢測和誤差補(bǔ)償方法，對由此造成的偽距誤差進(jìn)行了有效補(bǔ)償，同時(shí)也優(yōu)化了緊組合下的初始