基于捷联惯导的四旋翼无人机的研究与实现

与传统无人机相比,四旋翼无人机具有轻便、集成度高、系统灵活性强等诸多优势,非常适合用于车流监控、火灾预警等领域。针对四旋翼无人机的非线性、高度不稳定、强耦合,捷联惯导系统累积误差大等问题,本文研究了一种基于捷联惯导系统的四旋翼无人机导航的方法,即根据Inven Sense TM公司提供的DMP算法,实时解析MPU6050集成传感器和HMC5883L三轴磁阻式传感器测量的无人机姿态数据,并利用PID控制算法对无人机姿态进行闭环调节。测试结果表明,无人机可在空中稳定飞行,设计提出的方案有效可行。     

线圈磁传感器的发展现状与空间应用

基于电磁感应的线圈磁传感器由于其灵敏度高、工作原理简单、性能可靠,在空间微弱磁场测量方面获得广泛应用。文章介绍了线圈磁传感器性能提高的几项主要技术及其基本原理,以及线圈磁传感器的发展及空间应用现状。通过采用优化设计磁芯,改善线圈结构以及与其他类型磁传感器协同工作等技术,线圈磁传感器的性能已经获得极大提高。随着这些技术的进一步完善,线圈磁传感器将在未来空间环境探测领域中发挥更加重要的作用。     

OGO和ERS卫星的磁试验

这篇文章描述了在位于 Malibu 的 TRW Malibu 磁试验设备中完成的 OGO 和 ERS 卫星磁特性的试验结果和使用的试验方法。最关心的卫星磁特性是在星载磁探测器位置处的卫星磁场,包括永磁场和感磁场。同时还关心星的"硬"磁场,即永磁场的大小和可以被一般磁化环境引起变化的"软"磁场的大小。一般磁化环境是指卫星在发射进入轨道前,会遇到的磁化环境。另外关心的磁特性是卫星磁场的分布图和位于卫星中心的偶极子矩和高阶的多极子矩,其中包括永磁矩和感磁矩。Malibu 试验室由安装在地下室6.4m 的三轴 Fanselau—Braunbeck 线圈系统和一些试验楼组成。转台位于其中的一座试验楼里,在这座试验楼里给卫星做没有线圈的磁试验。例如,OGO 卫星太大了,不能放入 Fanselau—Braunbeck 线圈系统中,因此就在此试验楼里进行试验。有线圈和没有线圈的试验方法是将卫星相对于固定的三轴磁通门探测器进行两轴旋转。旋转周期要比能觉察到的环境地磁场的变化周期短。可用一个远距离的探测器对地磁场的变化进行补偿,来满足上述的要求。磁通门探测器的输出由多通道 Sanborn 记录仪和 X—Y绘图仪记录,X—Y绘图仪可以立即按比例绘制旋转平面的磁矩大小,还可以给出在卫星座标系中的磁矩方向。卫星再绕另一相互垂直正交轴旋转,记录其数据。从这些数据中可以得到的总的磁矩矢量。ERS 卫星是一个280mm 的八面体,所以很容易将其放入 Fanselau—Braun-beck 线圈系统。在线圈系统中能够分别测量卫星场永磁分量和感磁分量。     

萤火一号火星探测器磁通门磁强计研制

对萤火一号(YH-1)火星探测器高精度磁通门磁强计研制进行了研究.介绍了磁强计的工作原理和基本构成.给出了采用的双探头梯度法、干扰磁场及低噪声信号处理等高精度空间磁场测量技术,以及磁强计传感器环境适应性设计.测试与标定结果表明:设计的磁强计在温度-140～75℃范围对±256 nT以内的空间矢量磁场进行高精度测量,分辨率达0.01 nT,带宽内总噪声小于0.03 nT,满足YH-1任务对火星空间环境磁场探测的需求.     

压阻式大扭矩动态六轴力传感器设计

六轴力传感器在智能制造、精密装配、运动医疗等领域有着重要应用价值。本研究以大量程六轴力传感器为研究目标,针对六轴力解耦测量和交叉干扰抑制的技术难题,提出了一种压阻式大扭矩动态六轴力传感器的设计方法。在传感器结构设计中,采用4个直梁式三轴力传感器组合的方式进行载荷分摊,满足大力值和大扭矩的测量需求;在三轴力传感器设计中,利用弹性体应力对称性分布的特点和惠斯通电桥平衡原理,布置传感器敏感电阻并组合成测量电桥,实现三轴力的解耦测量;根据六轴力传感器在三轴力和三轴力矩作用下的应力变化规律,采用矩阵解耦的方式实现六轴力解耦测量。     

旋翼式火星无人机技术发展综述

火星表面稀薄的大气环境为旋翼式无人机在火星低空飞行提供了必要的条件。概述了火星无人机的研究背景、飞行环境与研制难点；整理了世界范围内各研究机构研制的旋翼式火星无人机的技术特点；梳理旋翼式火星无人机研究在气动特性理论、低气压飞行控制、系统集成等方面的关键技术；总结旋翼式火星无人机的仿真研究与实验研究成果；对火星无人机未来的发展趋势进行展望。     

驱动机构动态磁场干扰处理技术

空间磁场探测器在工作过程中会受到附近其他设备的磁干扰,影响磁场探测精度。文章通过对磁场探测器工作环境的干扰分析,并利用地面设备模拟磁干扰源进行评价试验。文章使用小波分析方法对磁场探测器的测量数据进行处理,评估驱动机构的电机工作时对磁场探测器的测量影响。磁场探测器通过多探头配置及在轨标定和数据处理等方法,可以对平台的静态剩磁及动态磁干扰进行有效处理。     

领航主机约束化的多四旋翼无人机编队航迹优化方法

针对多四旋翼无人机编队队形保持不变情况下的航迹优化问题，在飞行过程中以图论方法为基础将四旋翼无人机编队看作一个虚拟刚体，将编队中的跟随无人机看作领航四旋翼无人机的约束来处理，优化过程中仅考虑领航四旋翼无人机的最大转弯半径约束、队形变换时间约束及转换而来的约束，并将编队飞行所需能量最小作为优化目标，求解多四旋翼无人机编队定时到达目标的航迹优化问题，然后基于Gauss伪谱法对领航四旋翼无人机进行航迹优化，将其转化成一个非线性规划问题。仿真结果表明，利用本文提出的算法可以获得一条平滑飞行航迹，满足定时到达目的地约束、多无人机性能约束和环境约束要求；所获得的航迹能安全绕过障碍物，提高了无人机编队的生存能力，有一定的工程应用价值。     

小型无人机自主飞行控制系统的实现

介绍了5kg级小型无人机的结构原理,分析了无人机自主飞行控制系统的结构、功能、特点及控制原理,采用嵌入式系统、GPS、电子罗盘和红外传感器等设计了无人机的飞行姿态控制、导航控制、任务控制系统和弹射与伞降系统。大量飞行实践和比赛飞行表明,这种小型无人机可执行既定任务并具有良好的场地适应性和自主飞行性能。     

一种共轴双旋翼式火星飞行器设计及其试验验证

针对火星飞行器探测需求,提出了一种共轴双旋翼式火星飞行器,基于计算流体力学方法优选了桨叶翼型、平面形状和扭转角等结构参数,基于叶素动量理论建立了旋翼气动力学模型,利用数值模拟方法选择了旋翼转速、旋翼间距和桨叶安装角等飞行参数,设计了原理样机"火星飞鸟-I"的结构与控制系统。构建了火星大气环境模拟器和重力补偿与运动约束装置,开展了模拟火星环境下旋翼式飞行器地面飞行试验,验证了共轴双旋翼式火星飞行器的推进性能,展望了旋翼式火星飞行器技术的发展方向。研究成果对我国开展的火星探测工程具有重要借鉴价值。     

电磁阀启闭特性非接触测量方法研究

为实现对电磁阀特性进行非接触测量,通过分析电磁阀动作时周围漏磁场的变化,设计了一种新型磁敏感器.该磁敏感器结构简单,操作方便,通过采取合理的抗干扰措施可充分降低旁磁场的影响,提高电磁阀漏磁场测量的可靠性.利用本磁敏感器对实际电磁阀的启、闭特性进行了测量.结果表明,该方法可靠性高,满足电磁阀非接触测量的需要.     

三轴磁强计测量误差修正方法

三轴磁强计测量误差修正对卫星姿态确定和控制具有重要意义。文章针对三轴磁强计测量误差的来源进行理论分析,引入磁场输入引起的常值漂移,建立了三轴磁强计测量误差修正模型,并基于该模型在磁环境模拟器中对Honeywell公司的三轴磁强计（HMR2300R）进行标定。实验结果表明改进模型可以将测量误差控制在50 nT以内,满足低成本敏感器在微小卫星姿态确定中的应用要求。     

一种利用剩磁标定的星光/磁测备份自主导航方法

针对空间机动平台GNSS导航系统易受干扰的缺陷,提出一种基于剩磁标定的磁测/星光备份的自主导航方案。当GNSS信号完好时,利用GNSS高精度测量信息和磁强计/星敏带剩磁干扰的联合测量信息不仅可实时估计出机动平台导航参数,同时准确标定出运行环境的剩余磁场强度;当GNSS信号受干扰中断时,在剩磁准确标定的基础上启用磁场/星光备份自主导航方案完成机动平台的导航参数实时估计。由仿真结果可知,当GNSS信号正常时该导航方案具备较高的剩磁标定精度,三轴标定误差为0.026nT,0.293nT,0.107nT;而当GNSS信号受干扰时,备份导航方案三轴位置估计误差为87.3m,172.5m,65.2m,三轴速度估计误差为0.78m/s,0.86m/s, 1.04m/s。 仿真结果表明该方案具备较强的可行性。     

无陀螺磁控小卫星的大角度姿态捕获研究

为了解决无陀螺磁控小卫星的姿态稳定和捕获问题,本文针对偏置稳定的主动磁控小卫星姿态控制平台,基于磁控力矩的时间累积作用效果等效卫星角动量增量的规律,设计了一种仅利用角度反馈的卫星大角度磁捕获控制律。通过仿真和卫星在轨实测的验证,证明该方法具有良好的收敛效果和鲁棒性,工程实现简单,可靠性高,适用于中低轨道的通信小卫星。     

New generation of infrared horizon scanning sensors for low altitude spacecraft

The STD 12 infrared horizon scanning sensor is designed for attitude control, with respect to Earth, of three-axis stabilized satellites in low altitude Earth orbits. The operational accuracy is better than 0.1 arc degree.After presenting the attitude measurement performance required for the SPOT platform, the STD 12 concept is described and the results of qualification and life tests are given.     

基于被动探测的目标磁扰动信号检测与定位

针对目标探测定位的快速发展中,军事领域主动雷达存在的缺陷和实现具有高度隐蔽性的目标检测技术的需求,提出一种基于被动磁矢量测量的目标扰动信号检测与定位技术。该方法利用磁传感器阵列测量目标产生的磁矢量扰动信息,通过滤波、门限检测、基函数展开等技术将有效扰动从复杂的背景场中提取出来,并结合速度估计、磁梯度张量矩阵算法研究任意目标位置的定位技术。理论和仿真结果证明了所提出的信号检测与定位技术的正确性,实地测试结果表明该方法具有较高的可行性和实用潜质。     

用地球磁场和重力场成功挽救风云一号（B）卫星的控制技术

风云一号气象卫星是我国最早成功发射的太阳同步三轴稳定对地遥感卫星，由于早期的技术和器件原因，星上计算机因空间辐照而失控，造成星上贮气耗尽、卫星高速翻滚。本文详细介绍了了在卫星面临失败的情况下，作者利用地球磁场和重力场与卫星的相互作用，采用星上的磁力矩器和可用的一切手段而设计的一整套抢救这颗卫星的技术方法，并简述了经过75天的艰苦努力，使这颗濒临失败的卫星重新建立三轴稳定的对地定向姿态的历程。     

New one-axis one-sensor magnetic attitude control theoretical and in-flight performance

New one-axis magnetic attitude control is proposed. Only one attitude sensor providing any inertial direction measurements is necessary, magnetometer is not used. The control may be used as a backup capability in case main actuators or some attitude sensors fail. Sun pointing is achievable using only three-axis Sun sensor, so the control may be used to lower the power consumption during battery charging. Asymptotic stability of different equilibria depending on the satellite inertia tensor is summarized. In-flight results from “Chibis-M” microsatellite are provided proving general control performance.     

Fault detection,identification and reconstruction for gyroscope in satellite based on independent component analysis

Although satellites are designed with high reliability, faults do occur when satellites are in orbit. To avoid the important services being affected, redundancy is used in satellites. There are many sensors in satellites. In order to reduce the cost, space, weight and power consumption, redundant sensors should be added to satellite as few as possible. Analytical redundancy is an efficient way to optimize the application of redundant. The gyroscope is the attitude determination sensor of the satellite. The minimum redundant structure of the gyroscope system is as follows: three gyroscopes installed in three-axis orthogonally and one gyroscope installed with slantwise for redundancy(3o+1S).To achieve fault detection, identification and reconstruction, hypothesis of statistical independence between the three-axis angular rates and hypothesis of statistical independence between the angular rates and fault are proposed. The scenario that only one sensor is faulting and there are only additive fault and full fault is supposed. Under these assumptions, firstly a threshold method is used for fault detection. After a fault is detected, independent component analysis (ICA) based algorithm for fault identification is employed. To overcome the ambiguities of ICA, correlation coefficients and prior information of the mixed matrix are used. Finally, the reconstruction matrix is obtained. By using this matrix fault signal is extracted so that the yaw, roll and pitch axes (three-axis) angular rates of the satellite can be recovered. Numerical simulations show this method can fulfill fault detection, identification and reconstruction of the gyroscope system.