微小型無人機(jī)MEMS-IMU-GPS組合測(cè)姿系統(tǒng)研究.pdf

1、無人機(jī)正逐漸向著微型化、集成化、智能化、成本低、功耗低的方向發(fā)展，從而使其在軍事和民用領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。由于微小型無人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其在空中飛行時(shí)，飛行穩(wěn)定性很容易受到氣流和風(fēng)速等因素影響，因此為了保證微小型無人機(jī)的飛行穩(wěn)定性，性能良好的飛控系統(tǒng)是關(guān)鍵保障。通常采用以無人機(jī)的姿態(tài)信息作為反饋信息的姿態(tài)穩(wěn)定回路來控制無人機(jī)的穩(wěn)定性，因此，具有一套性能良好的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)是微小型無人機(jī)能夠穩(wěn)定飛行的必要條件。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，MEMS逐漸

2、被應(yīng)用到導(dǎo)航領(lǐng)域。其低成本、低功耗、微型化的特點(diǎn)使得慣性系統(tǒng)更加小型化，尤其是MEMS-IMU技術(shù)的發(fā)展，逐漸將傳感與信息處理集于一體，使得慣性系統(tǒng)向著集成化、微型化、智能化的方向發(fā)展。這使得慣性系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。
　　本文首先介紹了課題的研究背景與意義，綜述了無人機(jī)技術(shù)、MEMS技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)和無人機(jī)姿態(tài)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展；介紹了姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的理論知識(shí)，包括常用的坐標(biāo)系及相應(yīng)變換，Kalman濾波和基于指數(shù)漸消因子的自適應(yīng)Kal

3、man濾波算法。其次，給出了姿態(tài)測(cè)量方案，通過對(duì)姿態(tài)四元數(shù)的最優(yōu)估計(jì)來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)量，應(yīng)用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)作為觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)融合濾波。給出了求取精確重力場(chǎng)的方案并介紹了應(yīng)用GPS求解機(jī)體運(yùn)動(dòng)加速度的方法。給出了系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)的方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)與姿態(tài)更新同步進(jìn)行。再次，針對(duì)MEMS慣性傳感器的性能，對(duì)其進(jìn)行了誤差分析與補(bǔ)償，對(duì)MEMS陀螺儀和加速度計(jì)進(jìn)行了建模與標(biāo)定試驗(yàn)。應(yīng)用Allan方差法對(duì)MEMS陀螺隨機(jī)誤差進(jìn)行了辨識(shí)，并進(jìn)行了試驗(yàn)分析。通過對(duì)

4、MEMS陀螺的隨機(jī)漂移進(jìn)行了ARMA建模，并應(yīng)用基于指數(shù)漸消因子的自適應(yīng)Kalman濾波算法對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)償。然后對(duì)GPS定位和測(cè)速原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，重點(diǎn)給出了應(yīng)用GPS測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)加速度的原理，并通過基于指數(shù)漸消因子的自適應(yīng)卡爾曼濾波算法對(duì)運(yùn)動(dòng)加速度進(jìn)行了最優(yōu)估計(jì)，為系統(tǒng)基于加速度計(jì)求取準(zhǔn)確的重力場(chǎng)奠定基礎(chǔ)。最后，給出了微小型無人機(jī)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的具體軟件實(shí)現(xiàn)方案，通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了純MI