一种圆锥运动条件下的等效旋转矢量算法研究

传统旋转矢量姿态算法一般采用陀螺的角增量信号来构造积分算法,当应用于输出为角速率的光纤陀螺捷联系统时,通过角速率提取角增量,算法会损失一定精度。提出了一种以陀螺角速率信号与角增量信号同时作为输入的改进旋转矢量姿态算法,进一步补偿了圆锥误差,提高了计算精度。仿真结果表明,该算法与传统二子样算法相比较,计算量相当,姿态精度、速度精度、位置精度有大幅度的提升。     

捷联惯导姿态算法中的圆锥误差与量化误差

对捷联惯导系统的误差源进行了研究,利用几何方法分析了不可交换性误差和量化误差的形成机理,以及它们的相互影响。针对工程应用中激光陀螺输出脉冲采样量化条件,就多子样算法进行了讨论,并设计了基于MATLAB/Simulink的仿真。研究结果表明,当考虑量化误差的影响时,选取适当的量化因子,三子样等效旋转矢量算法比其它算法具有更好的综合性能。     

采样量化与滤波对圆锥补偿算法影响对比分析

研究了圆锥运动情况下陀螺角增量采样量化对姿态误差的影响, 对比分析 了单子样算法、三子样扩展频率级数算法和三子样显式频率整形算法,理论推导给出陀 螺角增量分辨率造成的量化误差方差和圆锥算法姿态误差方差间关系的理论表达式。推 导公式及蒙特卡罗仿真结果表明,除通过脉冲细分提高陀螺角增量分辨率外,低通滤波 和提高姿态更新频率也可减小量化误差对姿态解算的误差影响。     

考虑温度漂移时动力调谐陀螺输入作用的统计学估算

本文提出了由于不稳定的温度场引起漂移时动力调谐陀螺的输入作用－壳体角振荡的评估算法。     

激光陀螺四位置寻北仪提高精度方法

为消除激光陀螺零偏和常值漂移的影响,采用四位置方案来实现高精度寻北。本文简述了单轴激光陀螺四位置寻北方案,给出了陀螺敏感轴与机体系前向偏差角标定方法,研究了寻北仪在倾斜基座下数据补偿算法。本文研究了由于在四个位置上电机转动不到位所引起的误差补偿算法。通过对寻北仪系统测试,采用电机转动不到位补偿后数据标准差降低了0.02º,激光陀螺寻北仪系统达到了高精度快速寻北的要求。     

基于光纤陀螺-星敏感器联合定姿的Kalman滤波方法研究

研究了光纤陀螺和星敏感器的数学建模和定姿算法。在保证空间飞行器姿态确定高精度的前提下,通过扩展Kalman滤波器,将陀螺仪和星敏感器所测得的飞行器姿态参数进行数据融合和估计,并对陀螺仪进行实时补偿,姿态角估计误差幅度在以内,稳态时姿态角估计误差小于,验证了算法的正确性和有效性。结果表明,采用光纤陀螺-星敏感器联合定姿方式可以准确预测空间飞行器的姿态信息,对工程应用具有一定的指导价值。     

基于陀螺稳定座架的移动成图系统活动杆臂补偿技术

陀螺稳定座架和位置姿态系统(Position and Orientation System,POS)一起构成了移动成图系统(Mobile Mapping System,MMS)的稳定控制部分,POS的位置和姿态角必须达到很高的精度才能满足成图需求.提出了基于陀螺稳定座架的活动杆臂补偿技术,利用陀螺稳定座架测量的姿态角对测绘作业过程中卫星天线到POS的活动杆臂进行解算,对POS输出的位置和速度进行变杆臂补偿,获得更加精确的位置和姿态角信息.机载试验结果表明,该算法可以获得高精度的位置信息,且对姿态角精度有一定提高,是一种有效的系统活动杆臂补偿技术.     

基于等效角振动的光纤陀螺带宽测试方法

光纤陀螺的数字闭环调制解调原理决定了其带宽可以达到几百甚至几千赫 兹,当光纤陀螺带宽大于角振动台最高频率时,采用传统的角振动方法无法准确测试其 带宽。分析了光纤陀螺带宽测试的原理,提出了一种基于等效角振动的光纤陀螺带宽测试 方法,该方法能够满足大带宽光纤陀螺的带宽测试。对同一只光纤陀螺进行了带宽测试的 对比试验,证明所提出的方法与角振动方法的测试结果一致。将该陀螺带宽增大到原带宽 的4 倍后,采用此方法进行带宽测试,测试结果与理论计算值一致。     

基于加速度计和角速率陀螺的超小无人直升机姿态控制系统

设计了一种基于加速度计和角速率陀螺的超小型无人直升机姿态控制系统;由卡尔曼滤波算法融合加速度计和陀螺数据,实时估计最优的直升机姿态信号;根据最优的姿态反馈信号,飞行控制系统采用参数自整定的模糊PID控制方法得到舵机控制信号,从而实现了超小型无人直升机的姿态控制。     

一种星敏感器-陀螺组合定姿的实时在轨标定方法

研究了一种星敏感器一陀螺组合定姿方式中的姿态敏感器误差的实时在轨标定方法。首先,选择直观的欧拉角作为姿态描述参数,根据星敏感器和陀螺的测量原理建立星敏感器一陀螺在轨标定的测量方程和状态方程,并以此建立数学模型。其次,采用简单高效的EKF（ExtendedKalmanFilter,扩展卡尔曼滤波）作为估值算法,进行了在轨标定数值仿真。对于航天器姿态定向中出现的姿态角和星敏感器安装角之间的耦合问题,通过在特定姿态通道上施加简单姿态机动实现了解耦。数值结果表明,该实时在轨标定方法,尤其是所提出的姿态角和星敏感器安装角解耦策略,可以实现对航天器姿态的实时精确估计以及对星敏感器安装误差、陀螺常值漂移和相关漂移等误差的实时在轨标定。该方法可用于航天器姿态测量设备的实时在轨标定和航天器姿态的高精度实时确定。     

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。     

航天器有限时间输出反馈姿态控制

研究在角速度不可测时航天器的有限时间姿态控制问题。基于有限时间控制技术,提出了由修正Rodrigues参数进行姿态描述的航天器输出反馈姿态控制算法。首先设计了单个航天器的输出反馈姿态控制器,在没有角速度反馈时也能够保证航天器姿态在有限时间内调节到期望姿态。之后,设计了无需绝对角速度和相对角速度信息的多航天器分布式输出反馈姿态控制器。使用Lyapunov理论和图论,对闭环系统全局有限时间稳定性进行了严格的证明。最后对提出的控制算法进行了数值仿真,其结果验证了所设计的航天器输出反馈控制算法的可行性和有效性。     

基于导航姿态解算的光纤陀螺平台低频角振动测试方法研究CSCD

为准确评价光纤陀螺平台的低频角振动特性,提出了一种基于导航姿态解算的光纤陀螺平台低频角振动测试方法。首先,通过角振动台精确模拟载体的低频角振动状态,并通过光纤陀螺平台飞行导航过程中的断调平差分信号,实现平台框架角度信号与角振动台激励角度信号的数据同步;然后,利用平台式惯导系统的导航姿态解算方法,实时解算低频角振动过程中光纤陀螺平台的台体姿态,并通过坐标系转换得到平台基座系相对于地理系的实时姿态;最后,通过对光纤陀螺平台稳定回路的幅相特性分析,得到低频角振动激励下稳定回路的幅值和相位特性,实现对光纤陀螺平台角动态特性的准确评估。     

捷联惯性导航传统比力积分算法与对偶四元数算法的比较研究

捷联惯性导航速度更新算法中,将载体坐标系中的比力积分增量变换到导航参考坐标系中,载体姿态变化的影响通常采用一阶近似模型进行计算。本文分析了包括角振动和加速运动的动态运动下一阶近似模型的局限,在典型角振动及加速运动条件下对忽略姿态变化二阶项造成的速度更新误差进行了理论分析。通过比较,揭示了对偶四元数比力积分算法精度高于传统比力积分算法的原因,即和传统比力积分算法相比,对偶四元数比力积分算法等价于考虑了载体姿态变化影响的二阶项。通过典型角振动及加速运动条件下传统捷联惯性导航算法和对偶四元数导航算法的仿真比较,对理论分析结果进行了验证。     

考虑输入饱和的两飞轮驱动航天器视线轴控制

 研究了非零初始整星角动量下两飞轮驱动航天器姿态机动控制问题,针对在两飞轮旋转轴平面外某一视线轴的指向控制,给出了目标姿态生成算法和一种抗输入饱和的视线轴指向滑模控制算法。首先,通过对两飞轮驱动航天器静止时的可行姿态进行分析,给出了视线轴指向目标方向的必要条件。然后,基于该条件得到了使视线轴与目标方向偏差最小的目标姿态。最后,对状态方程进行降维和线性化处理,设计了一种抗输入饱和的视线轴指向滑模控制算法。仿真结果展示了本文算法的可行性和有效性。     

Onboard actuator model-based Incremental Nonlinear Dynamic Inversion for quadrotor attitude control: Method and application

This paper addresses the robust attitude control problem for quadrotors subject to model mismatch and disturbances. A dynamic inversion based attitude control scheme is proposed, which consists of an outer loop attitude controller and an inner loop angular acceleration controller. The attitude controller is designed based on the Nonlinear Dynamic Inversion (NDI) to precisely linearize the nonlinear dynamics between the angular acceleration and the attitude. An onboard actuator model-based Incremental Nonlinear Dynamic Inversion (INDI) controller is designed in the angular acceleration control loop to improve the robustness against the model mismatch and disturbances. Meanwhile, the onboard actuator model with a modified structure eliminates the oscillation phenomenon when the sampling rate of the controller is higher than that of the actuator. Numerical simulations and flight tests demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed controller in comparison with the PID controller.     

Geometric voting algorithm for star trackers

We present an algorithm for recovering the orientation (attitude) of a satellite-based camera. The algorithm matches stars in an image taken with the camera to stars in a star catalogue. The algorithm is based on a geometric voting scheme in which a pair of stars in the catalogue votes for a pair of stars in the image if the angular distance between the stars of both pairs is similar. As angular distance is a symmetric relationship, each of the two catalogue stars votes for each of the image stars. The identity of each star in the image is set to the identity of the catalogue star that cast the most votes. Once the identity of the stars is determined, the attitude of the camera is computed using a quaternion-based method. We further present a fast tracking algorithm that estimates the attitude for subsequent images after the first algorithm has terminated successfully. Our method runs in comparable speed to state of the art algorithms but is still more robust than them. The system has been implemented and tested on simulated data and on real sky images.     

基于 Nussbaum函数的多无人机预设性能反步容错协同控制

针对多无人机协同执行任务过程中遭遇执行器增益故障下的安全飞行控制问题,设计了 1种预设性能反步容错姿态跟踪控制方案,以实现故障下的多无人机姿态同步跟踪控制。首先,定义飞行器的姿态同步跟踪误差和姿态角速率跟踪误差,分别利用预设性能函数对 2种误差进行约束,将不等式约束转化为等式约束。其次,基于转换误差设计反步容错姿态同步跟踪控制器,应用 Nussbaum函数解决由增益故障引起的未知控制增益问题。Lyapunov稳定性分析表明,姿态同步跟踪误差与姿态角速率跟踪误差稳定且收敛。仿真结果验证了控制方案的可行性以及有效性。