微小型无人机用微磁数字罗盘集成系统的设计

 针对现有微磁数字罗盘成本高、输出频率低、动态定姿时易发散等问题,结合微小型无人机(MUAV)导航与控制系统的组成特点,设计了一种利用MUAV机载微惯性测量单元(MIMU)中的天向陀螺输出判断无人机的运动状态,采用MIMU中的3轴加速度计组件测量的地球重力矢量,配合3轴磁阻传感器测量的地球磁场矢量,共同进行姿态确定的微磁数字罗盘集成系统。对传统的环境干扰磁场校正方法进行了完善与验证,使之适合于空间三维定姿。试验结果表明：系统总体性能良好,航向精度可达0.5°,成本为同类产品的1/5,输出响应可达50 Hz,满足应用于MUAV导航控制系统的微磁数字罗盘的高精度、低成本和实时性的要求。     

无人机自动着陆中的机器视觉辅助技术

设计了一套辅助无人机自动着陆的机器视觉系统。该系统由机载硬件设备和用户开发软件共同组成,用以完成数字图像处理任务和无人机运动参数估计任务。系统传感器包括一个单目摄像机和机载惯性陀螺;数字图像处理使用的主要算法有图像的轮廓提取、角点检测和模版匹配。基于角点处各个方向上灰度差变化较大的特征,依据最小核值相似(SUSAN)算法和角点几何结构分析,提出一种改进的角点特征提取算法;根据任务开发的位置参数估计算法依据摄像机透视投影理论,运用摄像机成像标定方法导出了一种高精度的位置测量模型。通过计算机仿真表明,所提出的计算机视觉位置参数估计算法可以达到无人机着陆过程的精度要求。     

面向无人机的单芯片惯性测量组合

针对无人机对惯性测量组合的小尺寸、轻重量的需求,设计实现了芯体为1cm3的微小型单芯片的硅微惯性测量组合。论文提出了一种基于体硅深刻蚀—玻璃键合工艺的单芯片惯性测量组合结构,该结构集成了六个异构的单轴惯性器件,可实现运动载体的六自由度运动信息测量。单芯片惯性测量组合中的陀螺器件两个模态的的振动频率实现了较好的匹配,加速度计器件分辨率达到了0.93mg。测试结果表明该单芯片惯性测量组合有望实现高精度的惯性量测量,在无人机上有很好的应用前景。     

大失准角下MIMU空中快速对准技术

 为了提高微小型无人机空中的反应速度和作业精度，提出将基于模型误差预测的扩展卡尔曼滤波(MEP-EKF)方法应用在大失准角下微惯性测量单元(MIMU)的空中对准中，通过不同机动飞行策略的仿真结果，证实MEP-EKF算法不仅能够实时估计出系统的模型误差，而且将其与扩展卡尔曼滤波(EKF)和Unscented卡尔曼滤波(UKF)方法进行了仿真比较，结果表明MEP-EKF算法在方位误差角的估计上，取得了比EKF和UKF精度高的仿真结果，使得方位失准角由30°快速下降到1°左右，而且MEP-EKF所需时间仅是UKF的17%。     

新型微光机电系统惯性测量技术研究进展

微惯性测量单元(MIMU)是惯性导航系统(INS)的核心组件，亦是构建微定位导航授时（μ-PNT）系统的重要组成部分。当前成熟的微惯性测量单元主要基于微机电系统（MEMS）实现，其性能逐渐难以满足新型无人驾驶车、无人飞行器以及制导弹药、航空航天器等军民用领域对高精确惯性导航的需求。近年来,各种新型微惯性测量技术相继被提出，以期望突破微惯性测量单元的性能与尺寸、质量、功耗（SWaP）之间相互制约的关键技术难题。系统总结了近年来国内外在常规MEMS惯性测量技术以及新型微光机电系统（MOEMS）惯性测量、微腔光力惯性测量、量子精密测量等几类新型惯性测量技术方面的研究进展，展望了未来新型高精度惯性测量技术的发展趋势，并提出了一种基于腔光力系统的量子增强型惯性测量技术构想。     

微小型飞行器惯性组合姿态确定与航路导航研究

构建了微小型飞行器(MAV)导航、制导与控制(GNC)系统。研究了微惯性导航测量单元零偏的温度建模及非正交误差的多位置标定补偿方法,提出微小型飞行器导航、制导与控制系统闭环条件下,利用导航、制导与控制回路的飞行状态特征信息的微惯性组合导航系统滤波算法,根据微小型飞行器飞行状态实时调整卡尔曼滤波器的观测噪声方差,有效提高了动态过程中姿态测量精度和微小型飞行器的飞行平稳度。完成了组合导航系统滤波算法验证飞行试验及自主姿态稳定和航路飞行试验。飞行试验表明:微小型飞行器实现了自主姿态稳定与长距离超视距航路点导航飞行,航路点导航误差小于30 m,惯性组合姿态确定与航路导航系统及算法满足微小型飞行器自主飞行对导航系统的需求。     

无人直升机视觉着陆中的运动状态估计算法

对无人直升机(UH)视觉着陆中基于视觉图像处理的运动状态估计问题进行了研究。介绍了视觉着陆原理,分析了运动估计、特征图像处理与着陆控制间的关系,推导并建立了UH相对着陆平台位姿估计算法、线速度与角速度估计算法。相邻两帧图像对应特征点像点位置为位姿估计算法提供数据,一帧图像特征点像点位置及其对应像点平移速度为线速度与角速度估计算法提供数据。利用UH着陆控制仿真数据模拟UH着陆运动过程中像点位置及其对应平移速度的视觉图像处理结果。仿真验证了运动状态估计算法,结果表明所提出的运动状态估计算法能有效地利用视觉图像处理结果数据估计出UH的位置、姿态、线速度和角速度。     

基于SiP的低成本微小型GNC系统技术

随着微机电系统(MEMS)技术及微惯性器件的发展,大量小型化、低成本、高性能的导航、制导与控制(GNC)产品正越来越多地应用于小型无人飞行器、地面无人系统以及精确制导弹药等领域.针对各类应用需求,基于MEMS惯性测量单元(IMU)、GNSS接收模块、全捷联红外/可见光/激光多模智能导引头、信息处理器(DSP)与数据链通信模块,采用SiP技术研制出GNC芯片.基于GNC芯片构建一体化微小型GNC系统,突破了基于SiP一体化微小型GNC系统集成、全捷联红外/可见光/激光多模智能感知、嵌入式深组合导航、全捷联多模智能导引头/导航/制导与控制一体化设计等关键技术,并对其性能进行了评估.微小型GNC系统技术为低成本小型无人系统和精确制导弹药的发展夯实技术基础.     

基于对偶数的航天器多特征融合相对导航算法

针对基于视觉的航天器相对导航问题,利用对偶数推导并给出了航天器相对耦合动力学方程,该方程一体化描述了追踪航天器相对于目标航天器的姿态运动和轨道运动,且考虑了由非质心点引起的相对姿态与相对轨道之间的耦合影响。在对偶代数的框架内,统一描述了目标航天器上的特征点和特征线,并基于特征点、线在像平面的投影建立了多特征融合的单目视觉测量模型。最后通过对系统状态方程以及测量方程的线性化,应用迭代扩展卡尔曼滤波(IEKF)算法对非质心点的相对运动状态进行了估计。仿真结果表明,本文的算法能够对航天器非质心点的相对运动状态进行较高精度的估计。     

基于双圆特征的无人机着陆位置姿态视觉测量方法

提出了一种无人机自主着陆位置姿态的单目视觉测量方法,建立了机载摄像机的运动和投影模型。设计了新型双圆图案着陆平面靶标,采用双圆的8个公切点,产生21个具有透视投影不变性的特征点,并提出了在复杂背景中全自动双圆特征的图像提取新方法及标记特征点的方案,实验表明,768×576像素大小的图像,特征提取及标记耗时小于9ms。仿真试验表明,摄像机距离靶标10m左右,噪声偏差达到1.5像素时,单轴位置RMS误差小于6cm,单轴姿态RMS误差小于0.7°,所提出的算法具有很强的抗噪声能力,能够满足无人机自主着陆位置姿态实时测量的要求。     

微小型飞行器的MIMU系统结构设计方法

针对微小型飞行器安装空间小、承载能力弱的特点,提出一种“T”型结构的微惯性测量单元（MIMU）系统设计方法,采用基于微机电系统（MEMS）技术的新一代微型惯性器件,在深入分析MIMU结构设计基本原则和方法的基础上,设计加工了“T”型支撑结构并组成了实际系统。该MIMU系统充分利用了空间,大大地减小了体积和重量。有限元分析表明：该MIMU力学性能较高,所研制的实际系统实现了微小型飞行器的自主飞行,各性能参数满足要求,是一款适用于微小型飞行器的MIMU。     

An Optimally Integrated Track Recovery System for Aerial Bathymetry

An airborne system has been developed for charting shallow coastal and inland waters. The primary components of this system are an aerial survey camera, a profiling laser radar, an analytical stereo plotter, and a multisensor track recovery system (TRS). The TRS comprises a gimbaled inertial navigation system and a number of auxiliary sensors which acquire redundant position and attitude information. The sensor data are combined postmission using a U-D factorized Kalman filter and modified Bryson-Frazier smoother to compute accurate estimates of the orientation parameters of the survey camera at the times of film exposure. These parameters are used to position each overlapping pair of photographs on the analytical plotter to form a stereo image and corresonding analytical stereomodel from which water depth measurements are made. Flight trial results demonstrate that the TRS can achieve radial position and attitude accuracies which exceed 1 m and 2 arcmin root mean square (rms), respectively, and that this level of performance is sufficient to enable water depth measurements to be made to an accuracy of better than 0.65 m (rms).     

用于定位导航授时微终端的SoC系统设计

为了解决遮挡情况下的实时定位问题，美国提出了Micro-PNT方案，我国也提出了定位导航授时微终端(Micro Positioning Navigation and Timing Terminal，MPNTT)方案。定位导航授时微终端集成了卫星导航系统、微惯性测量单元、微型原子钟及处理器系统，可为终端用户提供精确可用、完好及时、连续安全的定位导航服务。介绍了一种用于定位导航授时微终端的SoC系统设计，其包括了基于SoC FPGA的硬件设计和基于GNSS/MIMU的组合导航滤波算法。SoC系统集成了FLASH、SSRAM等存储芯片，通过RS422、RS232、CAN等通信接口接收GNSS、MIMU及外源传感器信息，并在ARM核中完成组合导航算法，以得到导航结果。SoC芯片单片实现了ARM与FPGA的功能，系统集成面积满足小型化需求，为后续移植为ASIC芯片提供了基础。对组合导航滤波算法进行嵌入式软件移植并测试，结果表明：SoC系统单次惯导解算时间为7ms，实测与仿真输出的导航位置差距在0.05m以内，俯仰角差和横滚角差在0.005°以内，航向角差在0.05°以内。本文设计的SoC系统高精度、集成化、可扩展，满足了微终端的要求。     

微振动影响下的TDICCD相机图像复原方法

随着遥感卫星成像分辨率的不断提高,微振动对空间相机成像质量的影响已不能忽视。本文主要针对微振动影响下的时间延迟积分电荷耦合器件（TDICCD）图像的复原方法进行了研究。首先,结合成像器件与目标存在相对运动时的曝光成像规律和TDICCD相机成像原理,建立了微振动下TDICCD相机的成像模型,并进行了仿真得到退化图像。然后,对面阵图像复原方法进行了介绍。最后,将面阵复原方法改进推广至TDICCD图像复原,提出了一种微振动影响下的TDICCD相机图像复原方法,并进行了仿真。恢复图像各指标均有一定提升,验证了方法的有效性。     

微惯性测量组合的计算机测试系统

介绍了一个微惯性测量组合(MIMU)的计算机测试系统，对该系统的结构，硬件组成、软件设计进行了描述，重点介绍了系统软件设计中的关键技术：RS232通讯测试技术、VC和Labwindows／CVI的混合编程技术、多线程技术、VC和Matlab的混合编程技术。该系统具有良好的通用性和可扩展性，基于高性能CPU和(CPLD、FPGA等技术的微惯性测量组合的测试过程可以大大提高工作效率，缩短研发周期。     

Adaptive path planning for VTOL-UAVs

This describes the development of path planning algorithms of a small unmanned four-rotor helicopter. A powerful simulation environment of the whole UAV system - including the characteristics of the important ranging sensors for collision avoidance was developed. This is essential for developing, testing, and verifying of the algorithms. Different collision avoidance strategies for VTOL-UAVs are presented. Enhancements and miniaturization will offer more powerful sensor technologies regarding size, range, and power in the future. Very promising are improvements of sensor modules and new technologies like three-dimensional LASER range-finder, PMD sensors, RADAR range-rmnder, and stereo camera tracking system. Because of the general high level simulation tool introduced herein they can he easily validated and tested without the need and effort of a real hardware implementation. The results showed that adaptive path planning, including collision avoidance, is already applicable on-board small UAV vehicles. With the mentioned new sensor technologies and more calculation power, further improvements like advanced collision notice and global path planning on-board small UAVs are attainable.     

基于微细梁振动位移的微尺度射流测速方法

实验研究微尺度射流流场中微细梁发生的振动过程，并提出基于该原理测量微尺度射流速度。实验使用长度56．2ram、直径约0．07mm铜丝作为微细梁，使用直径约0．36mm喷管产生的微尺度射流。使用高速摄影仪观察射流流速在2．7～27．3m／s间梁振动的变化。试验结果发现当射流喷嘴对准梁3／5处时，振动过程中振幅随射流速度上升。而当射流喷嘴对准梁的9／10和3／4处时，在高流速下，振幅不随流速上升。使用霍尔传感器和磁铁测量梁的振动，当喷嘴对准梁的3／4处，霍尔传感器输出电压有效值随射流流速线性增长。但在其他位置，由于磁铁改变了梁的均匀结构，振动随流速的变化不规律。     

Unmanned aerial vehicle strike on a flat plate: Tests and numerical simulations

The incursion of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) into airports often occurs due to the popularity of drones, which may lead to a threat to aircraft flight safety. Therefore, estimating the dynamic impact load caused by drone strikes is essential. This paper proposes a test method with high precision and low cost involving launching of a UAV to impact a flat plate specimen by using an air gun. The test results of UAVs impacting flat plates at different impact velocities, such as the UAV damage deformation captured by a high-speed camera and strain vs time dynamic response curves of plates, were obtained and analysed. At the same time, a corresponding numerical simulation was carried out by using the explicit finite element software LS-DYNA. The predicted damage to the UAV and strain on the flat plate during the strike process were compared with the test results. The overall trend of the simulation results is in good agreement with the test results, at least for the first three milliseconds of the event. This shows that the numerical simulation model established in this paper is reasonable. The UAV numerical method established in the present paper can be used to carry out numerical simulations and evaluations of the collision safety of UAVs against large aircraft and high-value ground targets. The results show that the local deformation of the impacted target is uneven due to the distribution of concentrated mass components such as motors, battery, and camera. As the impact velocity of the UAV increases, all parts of the UAV are seriously damaged and basically in a fragmented state, and the battery is greatly deformed. The interaction between the UAV and the flat plate specimen is approximately 2.7 ms, and the UAV numerical simulation model established in this paper can well simulate the real UAV impact process.     

双目视觉系统的立体标定与校正

双目视觉系统的立体标定与校正是立体视觉的重要环节,也是研究的关键领域。本文简述了图像、摄像机坐标系和世界坐标系及其相互之间的关系,给出了摄像机标定、立体标定与校正的基本原理;在完成单个摄像机标定的基础上进行了立体标定,并应用Bouguet算法进实现了双目视觉系统的立体校正,得到了双目视觉系统的重要参数旋转矩阵与平移向量,并将双目视觉系统校正为数学意义上的前向平行对准结构。