基于MIMU/GPS組合的微型航姿參考最小系統(tǒng)研究與實現(xiàn)
發(fā)布時間:2020-12-04 20:31
微型無人機具有低成本、低功耗、高機動性、高隱蔽性等優(yōu)點,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載航電系統(tǒng)之一。傳統(tǒng)的無人機航姿系統(tǒng)成本高且較為笨重,不適合微小型無人機使用。本文研究內(nèi)容是為某微型無人機研制一款航姿系統(tǒng),完成無人機姿態(tài)角的實時解算。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)臺實驗對加速度計、磁力計和陀螺儀的確定性誤差進行標定。采用時間序列分析法對陀螺儀的隨機誤差建立精確模型,并利用Kalman濾波器對其進行濾波。其次,針對基于重力場和地磁場的航姿系統(tǒng)易受載體機動狀態(tài)影響的問題,引入利用GPS導(dǎo)出機體運動加速度,以提高載體機動時的測姿精度。采用JERK模型建立卡爾曼濾波方程進而導(dǎo)出運動加速度,以補償MEMS加速度計。采用梯度下降算法對補償后的加速度計和磁力計的輸出進行預(yù)處理,構(gòu)造互補濾波中四元數(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)互補濾波將其與陀螺儀的四元數(shù)姿態(tài)導(dǎo)出進行融合,從而得到高精度的全姿態(tài)估計。最后通過仿真實驗驗...
【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
自備的程序控制設(shè)備進行操縱的不載人飛機,簡稱“無人機”[1]。無人機最早可追溯到一戰(zhàn)期,1917 年英國研制出第一架無人機[2]。與有人飛機相比,無人機費效比高,無人員傷亡,有質(zhì)量輕、體積小、機動性和隱身性好、續(xù)航時間長等特點,尤其適合危險系數(shù)高的作戰(zhàn)領(lǐng)[3],未來將朝著高空長航時、智能化、隱身化、多功能化等方向發(fā)展[4]。微小型無人機是近年無人機快速發(fā)展的一個重要分支,在 2003 年國際無人機系統(tǒng)協(xié)(AUVSI)上,將微小型無人機定義(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”無人項目,如圖 1.1 所示。該無人機主要采用氣壓高度表、電子羅盤和 GPS 接收機進行導(dǎo)航,能自動導(dǎo)航,飛經(jīng)預(yù)編程航線點,并可自動待機巡邏。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,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[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“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,微型無人機技術(shù)也受到極大關(guān)注。
僅控制簡單、可實現(xiàn)懸停,還可以通過WiFi將所搭載相機拍攝到的圖像傳送到手機上。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入快展期。中國DJI(大疆創(chuàng)新)的Phantom、Inspire等系列微小型無人機在工業(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】:
期刊論文
[1]無人機系統(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. 2012(12)
[4]微型無人機將改變“游戲規(guī)則”——美軍微型無人機的發(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)
[5]基于四元數(shù)的MARG傳感器姿態(tài)測量算法[J]. 劉興川,張盛,李麗哲,林孝康. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2012(05)
[6]捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)整體標定新方法[J]. 張華強,趙剡,陳雨. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報. 2012(04)
[7]基于PD算法的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究[J]. 侯永鋒,陸連山,高尚德,劉雨生. 機械科學(xué)與技術(shù). 2012(03)
[8]ArcGIS中幾種坐標系轉(zhuǎn)換方法的應(yīng)用研究[J]. 李平,盧立. 城市勘測. 2012(01)
[9]基于遞推最小二乘的在線羅差校正方法[J]. 管斌,高揚,王成賓,烏萌. 中國慣性技術(shù)學(xué)報. 2012(01)
[10]航姿參考系統(tǒng)中一種自適應(yīng)卡爾曼濾波算法[J]. 田易,孫金海,李金海,閻躍鵬. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報. 2011(06)
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
【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
自備的程序控制設(shè)備進行操縱的不載人飛機,簡稱“無人機”[1]。無人機最早可追溯到一戰(zhàn)期,1917 年英國研制出第一架無人機[2]。與有人飛機相比,無人機費效比高,無人員傷亡,有質(zhì)量輕、體積小、機動性和隱身性好、續(xù)航時間長等特點,尤其適合危險系數(shù)高的作戰(zhàn)領(lǐng)[3],未來將朝著高空長航時、智能化、隱身化、多功能化等方向發(fā)展[4]。微小型無人機是近年無人機快速發(fā)展的一個重要分支,在 2003 年國際無人機系統(tǒng)協(xié)(AUVSI)上,將微小型無人機定義(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”無人項目,如圖 1.1 所示。該無人機主要采用氣壓高度表、電子羅盤和 GPS 接收機進行導(dǎo)航,能自動導(dǎo)航,飛經(jīng)預(yù)編程航線點,并可自動待機巡邏。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,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[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“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,微型無人機技術(shù)也受到極大關(guān)注。
僅控制簡單、可實現(xiàn)懸停,還可以通過WiFi將所搭載相機拍攝到的圖像傳送到手機上。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入快展期。中國DJI(大疆創(chuàng)新)的Phantom、Inspire等系列微小型無人機在工業(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】:
期刊論文
[1]無人機系統(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. 2012(12)
[4]微型無人機將改變“游戲規(guī)則”——美軍微型無人機的發(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)
[5]基于四元數(shù)的MARG傳感器姿態(tài)測量算法[J]. 劉興川,張盛,李麗哲,林孝康. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2012(05)
[6]捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)整體標定新方法[J]. 張華強,趙剡,陳雨. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報. 2012(04)
[7]基于PD算法的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究[J]. 侯永鋒,陸連山,高尚德,劉雨生. 機械科學(xué)與技術(shù). 2012(03)
[8]ArcGIS中幾種坐標系轉(zhuǎn)換方法的應(yīng)用研究[J]. 李平,盧立. 城市勘測. 2012(01)
[9]基于遞推最小二乘的在線羅差校正方法[J]. 管斌,高揚,王成賓,烏萌. 中國慣性技術(shù)學(xué)報. 2012(01)
[10]航姿參考系統(tǒng)中一種自適應(yīng)卡爾曼濾波算法[J]. 田易,孫金海,李金海,閻躍鵬. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報. 2011(06)
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
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