基于MEMS-GPS的微型無人機組合航姿系統(tǒng)研究.pdf

1、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域得到了快速發(fā)展。航姿系統(tǒng)為無人機提供姿態(tài)與航向信息，是確保無人機飛行安全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，并不適合微型無人機使用。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，為姿態(tài)控制回路提供所需的測量反饋。基于低成本、低功耗、小型化的考慮，論文采用中等精度MEMS微慣性器件與GPS組合的方式進行姿態(tài)測

2、量。論文主要工作為：
　　（1）針對MEMS慣性器件誤差較大，誤差源較多的問題，對MEMS傳感器誤差源進行分析，建立了傳感器的誤差模型。針對MEMS傳感器的誤差特點，分別給出了基于重力場激勵、基于恒轉速激勵、基于遞推最小二乘法的MEMS加速度計、MEMS陀螺、磁力計誤差標定與補償方法。該方法簡單有效，具有一定的工程應用價值，適合于低成本MEMS慣性器件的誤差標定。
　　（2）針對基于重力場/地磁場矢量觀測的航姿系統(tǒng)易受載體運

3、動加速度的影響，提出利用GPS導出運動加速度，以提高載體機動時的測姿精度。結合無人機運動特點，使用GPS多普勒速度量測值作為觀測量，利用JERK模型建立卡爾曼濾波方程進而導出運動加速度。通過TRIAD算法，利用GPS加速度、加速度計、磁力計構造矢量觀測方程；為了解決四元數(shù)作為狀態(tài)矢量時，誤差協(xié)方差陣奇異以及四元數(shù)加權求均值的問題，提出基于歐拉角的UKF算法，同時利用四元數(shù)完成歐拉角的姿態(tài)更新過程，從而解決了歐拉角無法全姿態(tài)工作的問題。<

4、br>　?。?）研究了一種基于梯度下降算法的四元數(shù)互補濾波算法，通過梯度下降法構造互補濾波中四元數(shù)形式下的反饋修正量，實現(xiàn)對四元數(shù)誤差的校正和陀螺漂移的估計。針對應用過程中，濾波參數(shù)設定的主觀性與隨意性，利用粒子群優(yōu)化算法實現(xiàn)對濾波參數(shù)的最優(yōu)化。機動情況下，利用GPS加速度補償加速度計，得到重力場的三軸真實分量。最后對本文所研究的兩種算法進行了半物理仿真實驗，結果表明兩種算法均具有良好的性能，能夠滿足微型無人機對姿態(tài)的要求。