非線性濾波方法在無人機相對導(dǎo)航上的應(yīng)用研究.pdf

1、“協(xié)同編隊飛行”是一種全新的無人機應(yīng)用模式，具有廣闊的前景和巨大的技術(shù)優(yōu)勢，代表了無人機技術(shù)的未來發(fā)展方向，因而備受關(guān)注。
　　本文以無人機協(xié)同編隊飛行為背景，對編隊無人機之間的相對導(dǎo)航問題展開研究，通過對多種相對導(dǎo)航方案的對比，最終確定了慣導(dǎo)系統(tǒng)和VisNav視覺導(dǎo)航系統(tǒng)所組成的INS/VisNav相對導(dǎo)航系統(tǒng)方案，并設(shè)計了多種相對導(dǎo)航濾波器，主要的內(nèi)容包括：
　　針對“長機——僚機”編隊模式，推導(dǎo)了無人機之間的相對運動模

2、型，給出了陀螺、加速度計和VisNav視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的測量模型，對VisNav視覺導(dǎo)航系統(tǒng)在單矢量、雙矢量、三矢量以及多矢量觀測情況下可觀測性進行了分析，為確定VisNav視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的工作條件提供了理論依據(jù)。采用最小二乘法處理VisNav視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，估計出編隊無人機之間的相對姿態(tài)和相對位置。數(shù)學仿真分析顯示，最小二乘法的估計精度受無人機之間的相對位置關(guān)系所影響。
　　設(shè)計了基于擴展卡爾曼濾波算法的INS/VisNav相

3、對導(dǎo)航濾波器。用長機和僚機的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)代替相對運動方程中的角速度和加速度項，獲得長機和僚機之間的相對慣導(dǎo)方程，以相對慣導(dǎo)方程為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了擴展卡爾曼濾波中的雅可比矩陣和測量敏感矩陣?？紤]到長機與僚機處于編隊飛行模式中，忽略重力項影響，從而簡化了擴展卡爾曼濾波算法，提高了運算速度。
　　為了改善收斂性能，并提高估計精度，設(shè)計了基于Sigma-Point卡爾曼濾波算法的INS/VisNav相對導(dǎo)航濾波器。介紹了Unscent

4、ed卡爾曼濾波算法和中心差分卡爾曼濾波算法，通過對比分析上述兩種算法發(fā)現(xiàn)，二者的共同點是利用Sigma-Point近似非線性函數(shù)。在設(shè)計 Sigma-Point卡爾曼濾波器時，考慮到姿態(tài)四元數(shù)的歸一化限制，采用羅德里格斯參數(shù)代表姿態(tài)誤差狀態(tài)，保證了誤差協(xié)方差矩陣的非奇異性，仿真結(jié)果顯示，算法具有明顯的快速收斂性能。
　　考慮到當系統(tǒng)噪聲不符合高斯分布時，卡爾曼濾波難以取得高精度估計，甚至發(fā)散，設(shè)計了基于Huber-Based濾波的

5、INS/VisNav相對導(dǎo)航濾波器，Huber-Based濾波器是一種魯棒濾波器，建立在1l、2l混合范數(shù)最小的基礎(chǔ)上，當系統(tǒng)噪聲為受污染的高斯分布時，該濾波方法具有一定的魯棒性。將 Huber-Based濾波與Sigma-Point濾波相結(jié)合，提出了一種魯棒Sigma-Point濾波方法，并設(shè)計了基于魯棒Sigma-Point濾波的相對導(dǎo)航濾波器，最后進行了數(shù)學仿真研究。
　　精度和可靠性是衡量相對導(dǎo)航系統(tǒng)性能的兩個重要準則，本