基于MEMS-GPS的微型無(wú)人機(jī)組合航姿系統(tǒng)研究.pdf

1、微型無(wú)人機(jī)具有低成本、低功耗、高機(jī)動(dòng)性、高隱蔽性等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在軍事和民用領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。航姿系統(tǒng)為無(wú)人機(jī)提供姿態(tài)與航向信息，是確保無(wú)人機(jī)飛行安全的必備機(jī)載航電系統(tǒng)之一。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)航姿系統(tǒng)成本高且較為笨重，并不適合微型無(wú)人機(jī)使用。本文研究?jī)?nèi)容是為某微型無(wú)人機(jī)研制一款航姿系統(tǒng)，完成無(wú)人機(jī)姿態(tài)角的實(shí)時(shí)解算，為姿態(tài)控制回路提供所需的測(cè)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(jìn)行姿態(tài)測(cè)

2、量。論文主要工作為：
　　（1）針對(duì)MEMS慣性器件誤差較大，誤差源較多的問(wèn)題，對(duì)MEMS傳感器誤差源進(jìn)行分析，建立了傳感器的誤差模型。針對(duì)MEMS傳感器的誤差特點(diǎn)，分別給出了基于重力場(chǎng)激勵(lì)、基于恒轉(zhuǎn)速激勵(lì)、基于遞推最小二乘法的MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺、磁力計(jì)誤差標(biāo)定與補(bǔ)償方法。該方法簡(jiǎn)單有效，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，適合于低成本MEMS慣性器件的誤差標(biāo)定。
　　（2）針對(duì)基于重力場(chǎng)/地磁場(chǎng)矢量觀測(cè)的航姿系統(tǒng)易受載體運(yùn)

3、動(dòng)加速度的影響，提出利用GPS導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)加速度，以提高載體機(jī)動(dòng)時(shí)的測(cè)姿精度。結(jié)合無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，使用GPS多普勒速度量測(cè)值作為觀測(cè)量，利用JERK模型建立卡爾曼濾波方程進(jìn)而導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)加速度。通過(guò)TRIAD算法，利用GPS加速度、加速度計(jì)、磁力計(jì)構(gòu)造矢量觀測(cè)方程；為了解決四元數(shù)作為狀態(tài)矢量時(shí)，誤差協(xié)方差陣奇異以及四元數(shù)加權(quán)求均值的問(wèn)題，提出基于歐拉角的UKF算法，同時(shí)利用四元數(shù)完成歐拉角的姿態(tài)更新過(guò)程，從而解決了歐拉角無(wú)法全姿態(tài)工作的問(wèn)題。<

4、br>　?。?）研究了一種基于梯度下降算法的四元數(shù)互補(bǔ)濾波算法，通過(guò)梯度下降法構(gòu)造互補(bǔ)濾波中四元數(shù)形式下的反饋修正量，實(shí)現(xiàn)對(duì)四元數(shù)誤差的校正和陀螺漂移的估計(jì)。針對(duì)應(yīng)用過(guò)程中，濾波參數(shù)設(shè)定的主觀性與隨意性，利用粒子群優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波參數(shù)的最優(yōu)化。機(jī)動(dòng)情況下，利用GPS加速度補(bǔ)償加速度計(jì)，得到重力場(chǎng)的三軸真實(shí)分量。最后對(duì)本文所研究的兩種算法進(jìn)行了半物理仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明兩種算法均具有良好的性能，能夠滿足微型無(wú)人機(jī)對(duì)姿態(tài)的要求。