微型無人機(jī)具有低成本、低功耗、高機(jī)動性、高隱蔽性等優(yōu)點(diǎn),近年來在軍事和民用領(lǐng)域得到快速發(fā)展。航姿系統(tǒng)為無人機(jī)的姿態(tài)控制回路提供所需的姿態(tài)與航向信息,是確保飛行安全和性能的必備機(jī)載航電系統(tǒng)之一。傳統(tǒng)的無人機(jī)航姿系統(tǒng)成本高且較為笨重,不適合微小型無人機(jī)使用。本文研究內(nèi)容是為某微型無人機(jī)研制一款航姿系統(tǒng),完成無人機(jī)姿態(tài)角的實(shí)時(shí)解算。首先,基于MEMS慣性傳感器的誤差源分析,分別采用基于重力場激勵、基于遞推最小二乘法和基于正反恒轉(zhuǎn)速激勵的轉(zhuǎn)臺實(shí)驗(yàn)對加速度計(jì)、磁力計(jì)和陀螺儀的確定性誤差進(jìn)行標(biāo)定。采用時(shí)間序列分析法對陀螺儀的隨機(jī)誤差建立精確模型,并利用Kalman濾波器對其進(jìn)行濾波。其次,針對基于重力場和地磁場的航姿系統(tǒng)易受載體機(jī)動狀態(tài)影響的問題,引入利用GPS導(dǎo)出機(jī)體運(yùn)動加速度,以提高載體機(jī)動時(shí)的測姿精度。采用JERK模型建立卡爾曼濾波方程進(jìn)而導(dǎo)出運(yùn)動加速度,以補(bǔ)償MEMS加速度計(jì)。采用梯度下降算法對補(bǔ)償后的加速度計(jì)和磁力計(jì)的輸出進(jìn)行預(yù)處理,構(gòu)造互補(bǔ)濾波中四元數(shù)形式的反饋修正量,然后利用參數(shù)可調(diào)節(jié)的四元數(shù)互補(bǔ)濾波將其與陀螺儀的四元數(shù)姿態(tài)導(dǎo)出進(jìn)行融合,從而得到高精度的全姿態(tài)估計(jì)。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)... 

【文章來源】：南京航空航天大學(xué)江蘇省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：97 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

“指針”微型無人機(jī)

自備的程序控制設(shè)備進(jìn)行操縱的不載人飛機(jī)，簡稱“無人機(jī)”[1]。無人機(jī)最早可追溯到一戰(zhàn)期，1917 年英國研制出第一架無人機(jī)[2]。與有人飛機(jī)相比，無人機(jī)費(fèi)效比高，無人員傷亡，有質(zhì)量輕、體積小、機(jī)動性和隱身性好、續(xù)航時(shí)間長等特點(diǎn)，尤其適合危險(xiǎn)系數(shù)高的作戰(zhàn)領(lǐng)[3]，未來將朝著高空長航時(shí)、智能化、隱身化、多功能化等方向發(fā)展[4]。微小型無人機(jī)是近年無人機(jī)快速發(fā)展的一個重要分支，在 2003 年國際無人機(jī)系統(tǒng)協(xié)（AUVSI）上，將微小型無人機(jī)定義（Micro Unmanned Air Vehicle，英文縮寫 MUAV ）為行高度小于 250m、航程小于 10km、續(xù)航大于 1h、起飛質(zhì)量小于 5kg 的無人航空器[5]。微型人機(jī)的研制最早開始于 1986 年美國航宇環(huán)境公司 Aero Vironment 的 FQM-151A“指針”無人項(xiàng)目，如圖 1.1 所示。該無人機(jī)主要采用氣壓高度表、電子羅盤和 GPS 接收機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航，能自動導(dǎo)航，飛經(jīng)預(yù)編程航線點(diǎn)，并可自動待機(jī)巡邏。1999 年航宇環(huán)境公司研制出了更加適合市地形和單兵作戰(zhàn)的“渡鴉”無人機(jī)，只需士兵徒手投擲即可起飛，在戰(zhàn)場偵察的應(yīng)用上表優(yōu)異，美軍阿富汗戰(zhàn)爭中得到了大量應(yīng)用，并已成為目前全球量產(chǎn)最多的微小型無人機(jī)[6]，圖 1.2。以色列和中國緊隨美國其后，典型的型號有以色列的微小型無人機(jī)“云雀（Skylark）系列、“隕石（SkyLite）”、 “鳥眼（BirdEye）”等和我國的“鷹眼”、 “暗箭”、 “WJ-60等。在日本、德國等國，微型無人機(jī)技術(shù)也受到極大關(guān)注。

僅控制簡單、可實(shí)現(xiàn)懸停，還可以通過WiFi將所搭載相機(jī)拍攝到的圖像傳送到手機(jī)上。在Drone的引領(lǐng)下，全球范圍內(nèi)掀起了一股將多旋翼商業(yè)化的熱潮，多旋翼小型飛行器進(jìn)入快展期。中國DJI（大疆創(chuàng)新）的Phantom、Inspire等系列微小型無人機(jī)在工業(yè)及商業(yè)領(lǐng)域獲大成功，已占到了超過60%的全球份額。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 陶于金,李沛峰.  航空制造技術(shù). 2014(20)
[2]四旋翼飛行器航姿測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合方法[J]. 張浩,任芊.  兵工自動化. 2013(01)
[3]全姿態(tài)光纖陀螺井眼軌跡連續(xù)測量儀研究[J]. 任春華,李兵,趙幸子,廖冠,李靜偉.  儀器儀表學(xué)報(bào). 2012(12)
[4]微型無人機(jī)將改變“游戲規(guī)則”——美軍微型無人機(jī)的發(fā)展[J]. 彭小龍,宗剛,郭翔,王紅武,劉杰,郭相春,趙曙東,張昌令.  飛航導(dǎo)彈. 2012(10)
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博士論文
[1]基于四元數(shù)非線性濾波的飛行器姿態(tài)確定算法研究[D]. 喬相偉.哈爾濱工程大學(xué) 2011
[2]航空重力測量中GPS定位、速度及加速度解算技術(shù)與應(yīng)用[D]. 李曉斌.中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 2010
[3]基于MEMS的低成本MIMU的應(yīng)用研究[D]. 劉危.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2004

碩士論文
[1]基于MEMS慣性傳感器的微小型航姿參考系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 羅琴.上海交通大學(xué) 2012
[2]基于MEMS的微小型嵌入式航姿系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[D]. 牛妍.南京航空航天大學(xué) 2010
[3]新型單天線GPS測姿系統(tǒng)的研究[D]. 劉璐.南京航空航天大學(xué) 2007



本文編號：2898200