地效翼船的組合導航及控制系統(tǒng)設(shè)計.pdf

1、地效翼船(Ground Effect Vehicle，亦稱為地效飛行器、地效飛機)是一種利用地面效應(yīng)原理，具有超低空飛行能力的特種飛行器。它介于飛機、艦船和氣墊船之間，既可以離開水(或地)面又可貼近水(或地)面飛行。
　　 針對無人地效翼船的特點，本文研究了一種基于MEMS陀螺、加速度計、GPS等傳感器與微型導航計算機(DSP)構(gòu)成的微小型組合導航系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了飛行控制系統(tǒng)。本文以小型無人地效翼船作為研究對象，詳細介紹

2、其數(shù)學建模、數(shù)據(jù)融合算法、姿態(tài)角最優(yōu)估計以及飛行控制系統(tǒng)設(shè)計等，主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　 首先根據(jù)地效翼船空氣動力學原理，建立了地效翼船的數(shù)學模型，并根據(jù)地效翼船的實際參數(shù)，用MATLAB/Simulink對其數(shù)學模型進行仿真論證，同時針對導航與控制系統(tǒng)的特點，進行了MATLAB仿真，選擇合理的仿真參數(shù)，確定了地效翼船的設(shè)計方案。
　　 其次，由于在地效應(yīng)區(qū)域內(nèi)飛行器平臺姿態(tài)瞬時變化劇烈，要保證長時間穩(wěn)定飛行，需要

3、設(shè)計實時、穩(wěn)定及可靠的導航系統(tǒng)。采用微慣性測量單元(MIMU)、GPS和微型導航計算機構(gòu)成航姿參考系統(tǒng)(AHRS)，同時建立MEMS陀螺、加速度計以及水平傾斜儀傳感器誤差模型，通過標定實驗對系統(tǒng)的誤差模型參數(shù)進行辨識，得到誤差補償方法，有效提高了導航系統(tǒng)的精度。
　　 接著，研究了基于擴展卡爾曼濾波器的數(shù)據(jù)融合算法，推導出慣性導航系統(tǒng)的誤差方程、Kalman濾波器狀態(tài)方程和量測方程，為導航系統(tǒng)提供理論依據(jù)。這里微型導航計算機把M

4、IMU測量得到的陀螺儀和加速度計的輸出進行捷聯(lián)解算，輸出姿態(tài)、位置和速度信息。這些信息連同由GPS的姿態(tài)信息一起輸入到濾波器，進行信息融合，得到導航參數(shù)的最優(yōu)估計值。
　　 最后，針對地效翼船，利用PID控制器設(shè)計實時、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，并進行相關(guān)實驗調(diào)試工作。實驗結(jié)果表明，基于低精度MIMU和GPS的組合導航系統(tǒng)，利用微型計算機的快速處理能力，設(shè)計多傳感器融合算法，實現(xiàn)了較高精度的導航控制系統(tǒng)，導航算法滿足無人地效飛行器實時控制