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小型无人机辅助定位系统研究

王雪丽  
【摘要】:小型无人机因其尺寸小、隐蔽性好,质量轻、成本低和性价比高等优点在军用与民用领域都得到了越来越广泛的应用。以民用领域为例,桥梁检测、航空拍摄、地质地貌测绘、森林防火、地震调查等领域都有它的身影。目前,小型无人机的主要导航方式为全球定位系统(Global Positioning System,简称GPS),但在实际应用中,无人机在飞行中可能会进入桥洞、城区、密林或者隧道等容易失去GPS信号的区域,当GPS接收机接收的有效卫星信息被遮挡之后,即当卫星少于4颗的时候,GPS将失锁,这些就会影响无人机的正常工作。因此,开展GPS失效下的无人机自主导航研究,提高无人机自主导航定位的可靠性,具有很好的应用前景。惯性导航定位系统是一种不依赖外界物质、完全依靠自身携带的传感器进行采集信息定位的一种自主性较强的定位方式,它主要利用载体本身具有的惯性推算出载体所在位置,可以连续实时地提供载体的位置、速度和姿态信息,短时精度较高。传统的惯性导航器件体积庞大、价格昂贵、适用范围小。随着微机电系统(MEMS)的发展,MEMS传感器凭借其体积小、质量轻、价格低和可靠性高等优点,成为惯性器件的一种新选择。本文采用微惯性导航定位系统方式解决GPS失效下无人机自主导航定位的问题,具体研究内容如下:首先,本文在理解了惯性导航的基本原理以及惯性导航的初始对准和姿态解算后,并在微型惯性导航定位系统自身特性和实验环境要求基础之上,开展微型惯性导航定位系统的器件选型,并制定出微惯性导航定位系统的设计方案。其次,根据惯导模块中的主要器件-陀螺仪和加速度计这两个传感器的数学模型,在MATLAB软件环境下,对本文所用的惯性传感器模块进行了卡尔曼滤波修正,并在仿真中加入高斯白噪声形成物体的三维空间运动轨迹,采用零速度修正(ZUPT)的方法对采集的数据进行修正,运用四元数法进行姿态解算,由轨迹图可以看出,经过卡尔曼滤波和零速校正之后的轨迹与设置的轨迹基本重合。系统仿真结果证明了本文所设计的系统的可行性,为本文设计微惯导定位系统奠定了理论基础。再次,以STM32F103芯片为核心控制部件,MPU9255微惯性传感器模块作为测量模块,射频模块用于无线传输,在Altium Designer开发环境下设计并实现了基于STM32F103的微惯性导航定位系统,此系统可以实时输出三维空间中载体的经纬度和高度信息。最后,对微惯性导航定位系统进行实验,实验结果表明,系统在100s内姿态角误差在10°以内,位置误差在30m以内,短时精度高,能够满足中低精度导航系统瞬时精度高的要求。该系统自主性强,符合检测系统对实时位置信息的需求,从而证明了该微惯性导航定位系统的有效性。


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