信息融合技术在无人机中的应用研究

论文摘要

无人机飞行控制系统拥有的众多的传感器构成了一个多传感器系统。信息融合技术是解决多传感器信息综合处理问题强有力的手段,利用信息融合的方法处理多传感器信息能够有效地提高飞行控制系统的精度和可靠性。本论文旨在研究信息融合技术在无人机高度和姿态信号测量中的应用,主要研究工作如下:基于联邦滤波理论,利用气压高度传感器、GPS、线加速度计和姿态信息,提出了一种高精度和高可靠性的高度确定方法。给出了一种利用捷联加速度计和姿态信息的有效方法来计算无偏的垂向加速度;通过分别设计子系统,解决输出频率不同的传感器的测量信息融合问题;提出一种基于信息融合的初值计算方法,大大减少了故障隔离后对系统重新初始化的时间,保证了系统故障后的快速恢复。设计多传感器的组合姿态测量系统,有效解决了当无人机机动飞行时,采用加速度计校正陀螺误差的测姿系统不能有效地修正陀螺漂移的问题,利用GPS速度、捷联加速度和角速率等信息建立了基于欧拉角描述的融合测姿系统,该方法可以有效地估计出陀螺的漂移误差,从而得到无人机准确可靠的姿态测量,同时可以修正无人机的运动速度。通过建立飞行仿真模型,在给定的飞行航迹段,对高度和姿态测量系统进行了仿真研究。仿真结果表明:高度测量系统具有较高的测量精度,同时有着较好的故障检测和恢复能力;姿态测量系统能够有效地减小模型误差的影响,得到准确的姿态测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 多传感器信息融合发展起源与现状
• 1.3 多传感器信息融合的基本理论
• 1.3.1 不相关信息的最优融合
• 1.3.2 联邦滤波器理论
• 1.4 本课题研究的内容及论文的安排
• 第二章 传感器测量原理与特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 GPS 测量原理
• 2.2.1 GPS 测量简介
• 2.2.2 差分GPS 基本原理
• 2.2.3 GPS 导航特点
• 2.3 惯性测量原理
• 2.3.1 惯性导航系统
• 2.3.2 惯性元件
• 2.3.3 惯性导航特点
• 2.4 气压高度测量原理
• 2.4.1 国际标准大气及标准压高公式
• 2.4.2 大气压力与高度关系式的建立
• 2.5 本章小结
• 第三章 无人机高度信号的融合估计
• 3.1 引言
• 3.2 测量飞行高度的方法
• 3.2.1 飞行高度的定义及种类
• 3.2.2 测量飞行高度的方法
• 3.3 高度测量系统的传感器测量模型
• 3.3.1 气压高度测量模型
• 3.3.2 GPS 高度测量模型
• 3.3.3 捷联式线加速度计测量模型
• 3.4 系统状态模型
• 3.4.1 系统状态方程
• 3.4.2 系统状态方程的离散化
• 3.5 基于联邦滤波的多传感器高度测量系统
• 3.5.1 联邦滤波器结构设计
• 3.5.2 垂向加速度计算方法
• 3.5.3 子系统状态选取及测量模型
• 3.5.4 高度测量系统信息预测及融合过程
• 3.6 故障检测和隔离设计
• 3.6.1 故障分类
• 3.6.2 故障检测及容错性分析
• 3.6.3 故障隔离和恢复
• 3.7 本章小结
• 第四章 无人机姿态信号的融合估计
• 4.1 引言
• 4.2 姿态测量系统的传感器测量模型
• 4.2.1 磁航向计测量模型
• 4.2.2 角速率陀螺测量模型
• 4.2.3 捷联式线加速度计测量模型
• 4.2.4 GPS 速度测量模型
• 4.3 磁航向计，陀螺和加速度计组成的姿态测量系统
• 4.3.1 角速率陀螺测量姿态
• 4.3.2 姿态角修正
• 4.4 GPS，磁航向计，陀螺和加速度计组成的姿态测量系统
• 4.4.1 多传感器融合姿态测量系统的模型
• 4.4.2 基于强跟踪滤波的姿态融合估计方法
• 4.5 本章小结
• 第五章 系统仿真及结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 高度测量系统仿真及结果分析
• 5.2.1 高度测量系统仿真过程
• 5.2.2 高度测量系统测量结果仿真分析
• 5.2.3 高度测量系统故障检测及隔离仿真分析
• 5.3 姿态测量系统仿真及结果分析
• 5.3.1 姿态测量系统仿真过程
• 5.3.2 磁航向计，陀螺和加速度计组成的姿态测量系统仿真分析
• 5.3.3 GPS，磁航向计，陀螺和加速度计组成的姿态测量系统仿真分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本文的主要工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文