基于偏振光的無人機(jī)航姿測量系統(tǒng)研究.pdf

1、導(dǎo)航系統(tǒng)是無人機(jī)控制系統(tǒng)中重要的組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種導(dǎo)航方式逐漸出現(xiàn)，目前的導(dǎo)航方式存在各自的優(yōu)勢和不足，應(yīng)用場景不同。為了提高導(dǎo)航精度和導(dǎo)航系統(tǒng)的魯棒性，除提高導(dǎo)航傳感器的制造工藝以提高傳感器的測量精度外，探索新型的導(dǎo)航方式也是重要的研究方向。利用天空中的偏振光信息進(jìn)行仿生導(dǎo)航是國內(nèi)外近年來的研究熱點(diǎn)，其具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好的特點(diǎn)，是自主的導(dǎo)航方式。本文的研究內(nèi)容是將偏振光傳感器和慣導(dǎo)進(jìn)行組合，對無人機(jī)進(jìn)行

2、三維定姿。
　　本文涉及的主要工作內(nèi)容如下：
　　本文對與導(dǎo)航相關(guān)的概念進(jìn)行了解釋，對捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的解算原理進(jìn)行了推導(dǎo)，針對定位級別的高精度慣性測量單元和MEMS級別的低精度慣性測量單元利用Matlab進(jìn)行了捷聯(lián)慣導(dǎo)的仿真實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)證明了捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)由于解算原理所致，其導(dǎo)航誤差隨時(shí)間累計(jì)，MEMS的低精度慣性測量單元只能用于無人機(jī)的三維定姿。
　　針對基于偏振光傳感器導(dǎo)航的實(shí)驗(yàn)需要搭建固定翼無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺。本無人

3、機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺是以開源飛控項(xiàng)目Paparazzi為基礎(chǔ)搭建的，利用了其易擴(kuò)展的特性，從軟硬件方面對實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了分析，利用實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了無人機(jī)自主飛行實(shí)驗(yàn)和偏振光傳感器的機(jī)載數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。無人機(jī)的自主飛行實(shí)驗(yàn)成功證明了飛控系統(tǒng)輸出的三維姿態(tài)準(zhǔn)確，可以為后續(xù)算法驗(yàn)證提供參考標(biāo)準(zhǔn)。
　　提出了基于偏振光傳感器的四元數(shù)互補(bǔ)濾波算法。首先對互補(bǔ)濾波算法的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了推導(dǎo)和證明，然后分別通過陀螺儀與加速度計(jì)的互補(bǔ)、IMU與偏振光傳感器的互補(bǔ)，分別

4、補(bǔ)償了陀螺儀的XY軸誤差項(xiàng)和Z軸誤差項(xiàng)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明設(shè)計(jì)的基于偏振光傳感器的四元數(shù)互補(bǔ)濾波算法在準(zhǔn)靜態(tài)條件下能夠輸出準(zhǔn)確的三維姿態(tài)角。
　　提出了補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)加速度的互補(bǔ)濾波算法。針對基于偏振光傳感器的四元數(shù)互補(bǔ)濾波算法只能適合無人機(jī)運(yùn)動(dòng)加速度為零的情況，對算法進(jìn)一步優(yōu)化，利用空速計(jì)補(bǔ)償無人機(jī)在平穩(wěn)飛行階段的向心加速度。本文對比了補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)加速度前后的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)表明補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)加速的互補(bǔ)濾波算法能夠在無人機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎情況下準(zhǔn)確輸出