基于多傳感器信息融合的無人機著陸導引研究.pdf

1、目前，無人機著陸導引普遍采用全球定位系統(tǒng)（GPS）與其它機載導航系統(tǒng)（如慣導系統(tǒng)）相組合，通過多傳感器信息融合技術，實現(xiàn)無人機的導引著陸。然而，GPS作為機載主動定位系統(tǒng)，其信號極易受到外部環(huán)境的遮擋與干擾，造成GPS信號丟失。此外，由于衛(wèi)星信號的阻塞，GPS衛(wèi)星較差的空間幾何分布以及多徑效應，引發(fā)GPS定位精度下降，致使導引系統(tǒng)無法獲取正確的著陸參數(shù)，進而威脅到無人機的著陸安全。
　　為提高中大型無人機著陸的可靠性、安全性，針對

2、上述問題，提出一種基于多傳感器信息融合的無人機增強式主、被動復合導引著陸方法。該方法通過充分利用慣導系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)等機載傳感器，構建無人機主、被動復合導引著陸信息融合系統(tǒng)，并建立融合系統(tǒng)的狀態(tài)估計方程。對于系統(tǒng)中存在的線性方程狀態(tài)估計問題，采用卡爾曼濾波（KF）算法進行處理，而對于系統(tǒng)中存在的非線性非高斯分布的狀態(tài)估計問題，提出一種自適應混合粒子濾波（adaptive mixed particles filtering-AM

3、PF）算法進行處理。為驗證所提方法、算法的有效性，構建了基于多傳感器信息融合的無人機主、被動復合導引著陸半物理仿真系統(tǒng)。實驗結果表明主、被動復合導引融合系統(tǒng)與單一導引著陸方式相比具有較好的容錯能力和輸出精度，視覺被動導引著陸方式的引入，提高了無人機著陸的自主性、安全性，AMPF算法與粒子濾波算法、擴展卡爾曼濾波算法相比，可提高具有非線性非高斯分布的融合系統(tǒng)狀態(tài)估計的精度與速度。
　　在基于多傳感器信息融合的無人機增強式主、被動復合

4、導引著陸方法研究過程中，所開展的主要工作及創(chuàng)新性研究工作包括：
　　1)構建了基于多傳感器信息融合的無人機增強式主、被動復合導引方法在分析了常用機載傳感器（慣導系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)以及GPS系統(tǒng)等）特點的基礎上，建立了傳感器系統(tǒng)信息獲取的數(shù)學模型。根據(jù)傳感器信息獲取方式的不同，分別構建由慣導系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)組成的主動導引系統(tǒng)，由慣導系統(tǒng)與基于自然特征的視覺系統(tǒng)組成的被動導引系統(tǒng)。通過分析主、被動導引方式的特點，充分利用其互補性，提出了基

5、于多傳感器信息融合的無人機主、被動復合導引方法。該方法引入了機器視覺，提高了無人機著陸的自主性。
　　2)針對被動導引非線性系統(tǒng)的狀態(tài)估計問題，提出一種自適應混合粒子濾波算法
　　對慣導系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)構建的非線性融合系統(tǒng)，采用非參數(shù)化的粒子濾波算法，進行狀態(tài)估計。為避免普通粒子濾波算法采用狀態(tài)轉移概率密度構建重要性密度，導致視覺最新量測信息在非線性系統(tǒng)狀態(tài)估計過程中無法得到利用，致使狀態(tài)估計誤差變大的現(xiàn)象發(fā)生，提出一種自適應

6、混合粒子濾波AMPF算法。該算法通過選取狀態(tài)轉移概率密度與似然概率密度共同組建重要性密度，使得被動導引融合系統(tǒng)中視覺量測信息得到充分利用，混合粒子與自適應系數(shù)的使用，改善了粒子濾波中出現(xiàn)的粒子退化與貧化現(xiàn)象，實現(xiàn)了粒子濾波算法的并行式解算，進而提高粒子濾波的速度與精度。實驗結果表明AMPF算法可有效解決非線性系統(tǒng)狀態(tài)估計的問題。
　　3)提出了基于多傳感器的無人機主、被動復合導引信息融合方法
　　依據(jù)主、被動復合導引方案，提

7、出了一種無人機主、被動復合導引融合系統(tǒng)結構。在該結構基礎上，通過小角度近似，建立了由慣導系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)組成的主動導引融合系統(tǒng)線性方程，同時，建立了由慣導系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)組成的被動導引融合系統(tǒng)非線性方程。根據(jù)復合導引系統(tǒng)結構特點，提出一種基于歸一化加權系數(shù)信息分配方法，進而提高了復合導引信息輸出的精度，同時增強了融合系統(tǒng)的自我容錯能力。此外，采用變步長方法，解決了融合系統(tǒng)中存在的多速率信息同步問題。仿真結果表明，復合導引融合系統(tǒng)在GPS或

8、視覺系統(tǒng)故障下，仍可確保無人機安全著陸，具有較好的輸出精度與容錯能力。
　　4)根據(jù)主、被動復合導引著陸的特點，提出一種基于多傳感器信息融合的無人機著陸半物理仿真驗證方法
　　在對無人機主、被動復合導引著陸方法研究的基礎上，利用GPS模擬技術、RTX實時仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術，分別設計并構建了基于INS與GPS的主動導引著陸半物理仿真系統(tǒng)、基于INS與視覺系統(tǒng)的被動導引著陸半物理仿真系統(tǒng)。在此基礎上，依據(jù)主、被動復合導引融合