本文關(guān)鍵詞：傘降小型飛行器初始轉(zhuǎn)平飛過程姿態(tài)估計與融合算法研究　出處：《北京理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來小型飛行器在美國、英國、以色列等國家有著深入的研究,尤其是美國,陸、海、空均啟動了相關(guān)項目。其中傘降型小型飛行器具有常規(guī)戰(zhàn)術(shù)武器與小型無人機(jī)的優(yōu)勢,有著重要的研究意義。傘降小型飛行器的初始轉(zhuǎn)平飛過程是其進(jìn)入任務(wù)飛行的初態(tài),在這一過程中導(dǎo)航系統(tǒng)首先完成初始姿態(tài)估計,接下來為轉(zhuǎn)平飛控制與穩(wěn)定控制提供姿態(tài)信息,本文針對導(dǎo)航系統(tǒng)在初始轉(zhuǎn)平飛過程中的姿態(tài)估計與姿態(tài)融合算法展開研究,主要研究內(nèi)容如下:(1)初始轉(zhuǎn)平飛過程包括傘降穩(wěn)定段與轉(zhuǎn)平飛段。首先,采用小型飛行器外彈道學(xué)理論對這兩個過程的彈道環(huán)境進(jìn)行分析,得出了穩(wěn)定段與轉(zhuǎn)平飛段的運動特征,并對某型傘降小型飛行器外彈道進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果驗證了彈道環(huán)境分析結(jié)果的正確性;其次,根據(jù)彈道仿真結(jié)果,依據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)的任務(wù)需求及設(shè)計要求,完成了導(dǎo)航系統(tǒng)原型機(jī)樣機(jī)的設(shè)計,并對影響姿態(tài)估計精度的傳感器隨機(jī)誤差類型進(jìn)行了分析;最后,根據(jù)誤差傳遞方程,計算了這兩個過程的姿態(tài)估計誤差,初步驗證了導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)估計精度。(2)針對傘降穩(wěn)定段的初始姿態(tài)估計問題,提出了改進(jìn)的最優(yōu)矢量姿態(tài)估計算法。首先,提出了穩(wěn)定狀態(tài)的判斷依據(jù),研究了有界變量高斯牛頓算法。其次,建立了新的單位矢量量測量模型,得出了單位矢量量測噪聲的統(tǒng)計特性;根據(jù)Wahba最優(yōu)姿態(tài)估計問題,推導(dǎo)了不同矢量量測量的姿態(tài)估計權(quán)重,使得姿態(tài)估計誤差的方差達(dá)到最小。最后,將新單位量測矢量、權(quán)重系數(shù)與常用的最優(yōu)矢量姿態(tài)估計算法進(jìn)行結(jié)合,得出了改進(jìn)的最優(yōu)矢量姿態(tài)估計算法。(3)針對轉(zhuǎn)平飛后穩(wěn)定控制的需求,為了提高姿態(tài)信息精度,提出了無陀螺多傳感器四元數(shù)融合算法與有陀螺多傳感器姿態(tài)融合算法。首先,對離散卡爾曼濾波算法進(jìn)行了介紹,著重分析了濾波過程中噪聲的影響;其次,對導(dǎo)航系統(tǒng)多傳感器的相對獨立“松組合”融合結(jié)構(gòu)及姿態(tài)融合建模進(jìn)行了介紹;再次,為了降低導(dǎo)航系統(tǒng)成本,提出了基于加速度計/磁強(qiáng)計/GPS的無陀螺四元數(shù)融合算法;最后,針對無陀螺系統(tǒng)的不足,將陀螺作為提供姿態(tài)信息的主傳感器,與無陀螺系統(tǒng)相結(jié)合提出了有陀螺多傳感器姿態(tài)融合算法。仿真與試驗結(jié)果表明,兩種融合算法都可提高姿態(tài)估計精度,且有陀螺多傳感器姿態(tài)融合算法精度較高,更適用于傘降小型飛行器轉(zhuǎn)平飛后的姿態(tài)估計。(4)基于融合過程中噪聲模型對濾波結(jié)果的影響,文中深入研究了MEMS IMU的隨機(jī)誤差特性,提出了基于間接推斷小波方差法的隨機(jī)誤差模型參數(shù)估計方法。首先,分析了Allan方差法在時域內(nèi)的統(tǒng)計特性,得出了采用Allan方差法進(jìn)行MEMS IMU隨機(jī)誤差源辨識的優(yōu)勢;其次,針對使用Allan方差法進(jìn)行隨機(jī)誤差模型參數(shù)估計的不足,采用小波理論對隨機(jī)誤差進(jìn)行分析,提出了確定小波多分辨分析尺度的方法;最后,將小波方差理論與間接推斷理論相結(jié)合,提出了隨機(jī)誤差模型參數(shù)估計新方法。仿真與試驗結(jié)果表明,與Allan方差法的估計結(jié)果相比較,新的參數(shù)估計方法不僅提高了參數(shù)估計精度,還有效地解決了復(fù)雜隨機(jī)誤差統(tǒng)計模型的參數(shù)估計問題。(5)根據(jù)以上研究內(nèi)容,將研究結(jié)果應(yīng)用于傘降小型飛行器導(dǎo)航系統(tǒng),并分別設(shè)計跑車試驗與飛行試驗對系統(tǒng)性能進(jìn)行驗證。跑車試驗結(jié)果表明間接推斷小波方差法更適用于隨機(jī)誤差模型參數(shù)的估計;在飛行試驗中模擬初始轉(zhuǎn)平飛運動過程,試驗結(jié)果表明本文設(shè)計的導(dǎo)航系統(tǒng)及研究結(jié)果滿足傘降小型飛行器初始轉(zhuǎn)平飛控制系統(tǒng)的要求。
[Abstract]:This paper studies the attitude estimation and attitude fusion algorithm of a small - sized aircraft in the United States , Britain , Israel and so on . ( 3 ) In order to improve the accuracy of attitude information , this paper presents a new method for parameter estimation of random error model by using Allan variance method .

【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V249
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本文編號：1372876