微小型無人直升機(jī)飛控平臺(tái)與姿態(tài)融合算法研究.pdf

1、無人機(jī)可以在“枯燥任務(wù)領(lǐng)域、惡劣環(huán)境任務(wù)領(lǐng)域和危險(xiǎn)任務(wù)領(lǐng)域”三個(gè)特定的環(huán)境領(lǐng)域發(fā)揮出重要作用。由于具有體積小、成本低、可垂直起降和定點(diǎn)懸停、機(jī)動(dòng)靈活、隱蔽性好、無人員傷亡、戰(zhàn)場生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，微小型無人直升機(jī)近年來已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。 在微小型無人直升機(jī)的研究中，飛控平臺(tái)的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)自主飛行前急需解決的關(guān)鍵問題。本論文的主要工作是針對(duì)微小型無人直升機(jī)對(duì)載重、成本敏感的特點(diǎn)，系統(tǒng)而完整地給出了低成本飛控平臺(tái)和姿態(tài)融合算法的

2、原理設(shè)計(jì)、工程實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括：飛控系統(tǒng)硬件選型與集成，傳感器校正，基于GPS加速度補(bǔ)償和濾波切換的低成本MARG傳感器姿態(tài)融合算法的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，速度位置估計(jì)算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速定速器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。論文結(jié)合低成本MARG傳感器的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了無人直升機(jī)姿態(tài)融合算法的設(shè)計(jì)。論文的研究成果為微小型無人直升機(jī)的辨識(shí)建模與自主飛行實(shí)現(xiàn)提供了有力保障。論文的主要工作為： 1．介紹了論文的研究背景與意義，概述了

3、微小型無人直升機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后對(duì)無人機(jī)姿態(tài)測量技術(shù)進(jìn)行了綜述，最后給出了論文的研究目標(biāo)、內(nèi)容與篇章結(jié)構(gòu)。 2．給出了飛控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，介紹其基本功能；然后介紹了關(guān)鍵傳感器的誤差模型，對(duì)傳感器的誤差源進(jìn)行了分析；最后針對(duì)捷聯(lián)傳感器的誤差特點(diǎn)，提出了一種基于遞推最小二乘的橢球校正法，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該方法具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性，非常適合低成本捷聯(lián)加速度計(jì)、磁傳感器的校正。 3．針對(duì)基于重力場和地磁

4、場矢量觀測的低成本MARG傳感器姿態(tài)測量系統(tǒng)易受載體運(yùn)動(dòng)加速度影響的特點(diǎn)，提出一種用GPS加速度補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)加速度以提高載體機(jī)動(dòng)時(shí)的姿態(tài)測量精度的方法。首先利用三階最佳差分器從GPS速度差分獲得GPS加速度，并對(duì)其測量精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；然后利用GPS加速度與加速度計(jì)輸出一起構(gòu)建了比力矢量觀測方程；最后給出了基于修正羅德里格參數(shù)的姿態(tài)融合算法和基于四元數(shù)Kalman濾波器的姿態(tài)融合算法；前者利用迭代最小二乘姿態(tài)確定算法從比力矢量和地磁矢量觀

5、測方程得到參考姿態(tài)，該參考姿態(tài)與陀螺儀輸出進(jìn)行互補(bǔ)濾波融合，其中著重解決了觀測滯后與修正羅德里格參數(shù)姿態(tài)表示方法的奇異問題；后者通過構(gòu)建線性虛擬觀測方程，將帶觀測滯后的非線性系統(tǒng)濾波問題轉(zhuǎn)化成帶時(shí)間相關(guān)噪聲與狀態(tài)相關(guān)噪聲的線性系統(tǒng)濾波問題并給出了相應(yīng)的Kalman濾波算法。 4．針對(duì)基于重力場和地磁場矢量觀測的低成本MARG傳感器姿態(tài)測量系統(tǒng)易受載體運(yùn)動(dòng)加速度影響的特點(diǎn)，提出了一種基于濾波切換的姿態(tài)融合算法。利用兩個(gè)互補(bǔ)濾波器

6、分別估計(jì)重力場與地磁場，并分析了互補(bǔ)濾波器的性能；為減小運(yùn)動(dòng)加速度對(duì)重力場估計(jì)的影響，在載體作機(jī)動(dòng)時(shí)將重力場濾波器切換到陀螺儀開環(huán)積分；分析表明，在一定的切換條件下，切換濾波系統(tǒng)的估計(jì)誤差是有界的；將該算法和第三章兩種算法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明三種算法估計(jì)的姿態(tài)均具有良好靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能，與低成本MARG傳感器結(jié)合均能滿足無人直升機(jī)自主飛行的要求。 5．在獲得姿態(tài)的基礎(chǔ)上，采用了分級(jí)式GPS/SINS組合導(dǎo)航結(jié)構(gòu)，給

7、出了基于互補(bǔ)濾波器的速度位置估計(jì)算法；該算法估計(jì)無人直升機(jī)相對(duì)地面站的速度與位置，實(shí)現(xiàn)簡單、計(jì)算量低，適用于短航程無人直升機(jī)應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法都能使分級(jí)式GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有較高的導(dǎo)航定位精度，可以滿足無人直升機(jī)自主飛行的要求。 6．給出了一種基于前饋．模糊自整定PI控制的無人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速定速器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案；并將此發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速定速器應(yīng)用于OS MAx70SZ、YS91 ST和Rotax582發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)