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小型无人直升机导航定位系统设计与实现

陈宏润  
【摘要】:微机电系统(MEMS)和嵌入式系统的迅猛发展带来了无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)研究和应用领域爆发式的发展,小型无人直升机具有起降方便、悬停、机动性能好、续航时间较长和载荷较大的特点。传统的小型无人直升机通常通过人工操作在视线范围内飞行,唯一的位置信息来源于卫星导航系统。随着行业应用的发展,无人直升机需要在更加复杂多变的场合中完成难度系数更高的任务,对于小型无人直升机自主定位和自主导航的需求不断增加。因此有必要对小型无人直升机导航与定位系统进行深入研究,通过组合导航方法提高定位结果的准确性和鲁棒性,并以此为基础进行相关无人机轨迹规划算法,完全实现自主导航功能。本文设计与实现了一套高集成度小型无人直升机导航定位系统,并且对低成本多传感器组合导航定位算法进行研究,在组合导航定位算法的基础上研究小型无人直升机最优轨迹规划相关算法,使得小型无人直升机具备完成相应任务的能力。本文主要研究内容如下:(1)根据课题需求自主设计了一套基于MCU、MEMS IMU、电子罗盘、气压计、激光雷达以及GPS低成本小型无人直升机导航定位系统,并在此平台上对论文中研究的算法进行实现和验证。(2)本文在基于自主设计的导航定位系统平台中进行多源信息融合组合导航算法设计,通过二十二阶扩展Kalman滤波器融合各个传感器数据进行融合,提高导航定位的准确性与鲁棒性。在数据融合过程中利用序贯观测更新的方法避免大规模矩阵求逆运算减少计算量,同时考虑传感器延时效应所带来的误差进行补偿,最后通过进行相关实验与高精度导航定位系统进行导航定位结果对比,分析导航定位系统的性能指标。(3)针对小型无人机轨迹规划问题进行数学建模,分别研究时间最优、距离最优与Minimum Snap最优轨迹规划算法,并进行Dubins曲线算法、以多项式为基础建立飞行廊道Minimum Snap轨迹规划算法的仿真与实验。本文所设计的小型无人直升机导航定位系统在实际课题项目中得到应用,其测量精度符合项目需求,并具备自主执行相关飞行任务的能力。


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