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面向小型无人直升机的SINS/GPS组合导航系统研究

作　者: 申星
导　师: 韩波；李平
学　校: 浙江大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 捷联惯性导航系统组合导航双子样旋转矢量法扩展卡尔曼滤波 Simulink仿真嵌入式平台
分类号: TN967.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

小型无人直升机由于具有体积小、可垂直起降、定点悬停、机动灵活、隐蔽性好、成本低以及无人员伤亡等优点,近年来已经成为国内外的研究热点。导航系统是小型无人直升机实现自主飞行的关键设备,它为飞行控制系统提供必需的姿态、速度、位置等导航信息,直接影响其飞行控制的性能。本文针对捷联惯性导航系统(SINS)与全球定位系统(GPS)导航性能的互补性,根据小型无人直升机相比固定翼无人机飞行速度较慢,尾舵控制机动性强,姿态动态范围变化不大等特点研究设计了SINS/GPS组合导航系统。本文首先介绍了小型无人直升机导航的基本理论,通过分析不同姿态表示方法的特点及SINS/GPS组合导航系统的非线性化特征,确定采用四元素的双子样旋转矢量法及扩展卡尔曼滤波算法计算导航信息。然后分析了组合导航系统的传感器的误差源,综合考虑导航系统工程化的计算复杂性与精度要求,建立了传感器的简化误差模型。并推导SINS导航计算的微分方程,采用姿态四元素双子样旋转矢量法避免姿态计算出现奇异点及减小旋转导致姿态计算的不可交换误差,根据比力方程及位置微分方程迭代计算速度、位置值。针对SINS单独计算的导航信息会产生漂移,本文设计了SINS/GPS组合导航系统,建立了组合导航误差模型,采用以导航误差为状态变量的扩展卡尔曼滤波算法修正SINS的导航误差。并且,针对小型无人直升机的尾舵控制航向实现快速机动飞行的特点,引入磁传感器测量航向角以获得更高的航向角精度；同时由于陀螺仪的角速度精度是影响导航精度的重要因素,所以滤波算法加入陀螺仪的时变漂移作为状态变量,修正陀螺仪的角速度输出。本文通过建立组合导航系统在Matlab/Simulink下的仿真模型,并参考实际传感器参数设置仿真参数,模拟了小型无人直升机仿真飞行实验。仿真实验结果证明组合导航系统具有较高的精度,能够满足小型无人直升机的飞行要求。最后,本文开发了小型无人直升机导航系统的嵌入式平台,包括组合导航系统与导航舵机控制系统,使用ARM采集传感器数据,经过校正及同步后,发送给工业控制计算机PC104计算组合导航信息,飞行控制系统根据导航信息计算控制命令发给导航舵机控制系统,导航舵机控制系统实现对舵机的准确控制,并通过对油门舵机的自主控制保证无入直升机飞行时发动机转速保持恒定,为最终实现无人直升机的自主飞行提供了条件。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-13
第一章绪论  13-21
  1.1 概述  13-17
    1.1.1 导航技术的发展历程  13-14
    1.1.2 捷联式惯性导航系统  14-15
    1.1.3 GPS卫星导航系统  15-16
    1.1.4 SINS/GPS组合导航系统  16-17
  1.2 课题研究的主要背景及意义  17-18
  1.3 论文主要工作及内容介绍  18-21
    1.3.1 论文主要工作  18-19
    1.3.2 论文主要内容  19-21
第二章小型无人直升机导航基本理论  21-33
  2.1 引言  21
  2.2 地球  21-22
  2.3 常用坐标系定义及其变换  22-25
    2.3.1 常用坐标系定义  22-23
    2.3.2 坐标系之间的转换  23-25
  2.4 常用姿态描述方法  25-29
    2.4.1 欧拉角法  25
    2.4.2 方向余弦法  25
    2.4.3 四元素法  25-26
    2.4.4 等效旋转矢量法  26-28
    2.4.5 姿态算法分析  28-29
  2.5 卡尔曼滤波  29-32
  2.6 本章小结  32-33
第三章小型无人直升机组合导航算法研究  33-53
  3.1 引言  33
  3.2 组合导航系统传感器误差模型  33-35
    3.2.1 微机械陀螺仪误差模型  33
    3.2.2 微机械加速度计误差模型  33-34
    3.2.3 磁传感器误差模型  34-35
    3.2.4 GPS定位误差分析  35
  3.3 捷联惯性导航算法  35-40
    3.3.1 捷联惯性导航算法原理  35-36
    3.3.2 捷联惯性导航姿态解算  36-38
    3.3.3 捷联惯性导航速度解算  38-40
    3.3.4 捷联惯性导航位置解算  40
  3.4 基于扩展卡尔曼滤波的组合导航算法  40-50
    3.4.1 组合导航扩展卡尔曼滤波原理  40-41
    3.4.2 组合导航系统误差模型  41-44
    3.4.3 组合导航系统状态方程与观测方程设计  44-48
    3.4.4 组合导航系统扩展卡尔曼滤波算法  48-50
  3.5 本章小结  50-53
第四章小型无人直升机组合导航系统仿真  53-67
  4.1 引言  53-54
  4.2 原始航迹仿真算法  54-56
    4.2.1 航迹微分方程及数值计算方法  54-55
    4.2.2 惯性传感器微分方程及计算  55-56
  4.3 组合导航系统传感器仿真  56-58
    4.3.1 陀螺仪仿真器  56
    4.3.2 加速度计仿真器  56-57
    4.3.3 磁传感器仿真器  57
    4.3.4 GPS仿真器  57-58
  4.4 组合导航算法仿真模型  58-60
    4.4.1 捷联惯性导航系统仿真  58-59
    4.4.2 扩展卡尔曼滤波器仿真  59-60
  4.5 组合导航数学仿真及结果  60-64
    4.5.1 组合导航系统仿真参数设定  60-62
    4.5.2 组合导航系统仿真结果  62-64
  4.6 本章小结  64-67
第五章小型无人直升机导航系统嵌入式平台设计  67-89
  5.1 引言  67
  5.2 导航硬件系统设计  67-71
    5.2.1 导航系统嵌入式平台原理  67-69
    5.2.2 组合导航系统硬件设计  69-70
    5.2.3 导航舵机控制系统硬件设计  70-71
  5.3 组合导航系统软件实现  71-78
    5.3.1 组合导航系统软件规划  71-72
    5.3.2 捷联惯性导航传感器初始处理  72-75
    5.3.3 组合导航算法软件设计  75-76
    5.3.4 导航舵机控制系统软件设计  76-78
  5.4 组合导航嵌入式平台实验结果分析  78-87
    5.4.1 捷联惯性导航传感器校正结果  78-79
    5.4.2 组合导航系统实验结果  79-84
    5.4.3 导航舵机控制器实验结果  84-87
  5.5 本章小结  87-89
第六章总结与展望  89-91
  6.1 论文总结  89-90
  6.2 研究展望  90-91
参考文献  91-95
作者简介  95
作者攻读硕士期间主要科研成果  95

面向小型无人直升机的SINS/GPS组合导航系统研究

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