低成本多传感器组合导航系统在小型无人机自主飞行中的研究与应用

为了满足小型无人机自主控制系统对导航系统性能的要求,研究低成本的基于微机电系统的捷联惯性导航系统(MEMS-SINS)/全球定位系统(GPS)/磁强计组合导航系统。提出一种利用磁强计辅助MEMS-SINS的静基座初始姿态确定方法,采用四元数误差模型对MEMS-SINS/GPS/磁强计组合导航系统进行信息融合的建模,采用基于正交三角(QR)分解的平方根无色卡尔曼滤波(UKF)非线性估计方法对组合导航系统进行数据融合,克服由于计算机舍入误差引起的状态协方差阵的计算值失去非负定性甚至对称性,通过小型无人机的自主飞行试验,证实MEMS-SINS/GPS/磁强计组合导航算法满足小型无人机自主控制系统的要求。     

小型无人机的导航与制导仿真系统研究

研究了基于飞行器动力学模型的小型无人机的惯性组合导航与制导系统仿真技术,组合导航系统嵌入了飞行器的轨迹和姿态控制回路,建立了基于MATLAB/AEROSIM的组合导航计算机仿真系统,仿真系统包括惯性组合导航仿真模块、传感器仿真支持模块、飞行器6自由度动力学模型模块、飞行器轨迹生成、轨迹控制与姿态控制模块、导航仿真评估模块。基于该仿真系统,目前已开展惯性/卫星深组合、惯性/大气数据融合等理论算法和技术研究。     

SINS在小型无人机测控方面的应用

为了满足小型无人机航姿系统设计需要,本文对捷联式惯导系统特点及其在小型无人机导航制导领域的应用进行了讨论,特别是对捷联惯导系统通过优化算法及由全球定位系统和捷联惯导系统组建的组合式导航系统进行了分析.讨论结果表明,捷联式惯导系统(包括以捷联式惯导系统为基础组建的组合式导航系统)能够满足无人机导航要求,在小型无人机领域具有很好的应用前景.     

多源冗余容错导航计算系统的设计与实现

常规无人机在余度配置传感器的信号处理、余度管理、故障检测与隔离等环节占用飞控计算机过多运算资源,增加了飞控计算机的整体负荷,致使全系统可靠性降低;与此同时,传统的传感器余度配置方案和导航计算机余度设计在工程中存在方案不完备和实时性较差等局限性。鉴于此,提出一种多源冗余容错导航计算系统的解决方案,给出系统的软硬件设计方法,并基于非相似余度技术设计多源冗余传感器硬件和软件滤波算法,采用双CPU+FPGA的架构设计多源冗余容错导航计算机硬件平台以及模块化软件架构,实现了系统的软硬件的开发。经过实际测试和试验,验证了系统具有通信速率快、可靠性高和稳定性好等特点,满足了高可靠性飞控系统对新型组合惯导的需求。     

超小型无人机GPS／MIMU组合导航定位系统研究

在考虑超小型无人机特点及其对导航定位需求的基础上,研究了利用微型惯性测量单元(MIMU)和GPS-OEM板,设计出一种低成本、轻小型的GPS/MIMU组合导航定位系统。为了验证该系统的性能,利用MIMU和GPS观测数据对该组合系统进行了仿真。仿真结果表明,组合导航系统在精度和可靠性方面,较单一的导航系统都有明显的改善。     

GPS仿真器设计

GPS是当今世界运行最为广泛的卫星定位、导航系统,研究GPS仿真器的设计,从而为飞机模拟器提供虚拟定位数据具有重要的现实意义.通过GPS卫星星座运动分析、最佳定位四颗星选择和GPS接收机设计,将由飞机仿真计算机得到的飞机位置信息转换成CPS信号输入飞控计算机,以实现GPS导航仿真实验.     

基于自适应联邦滤波的相对导航信息融合

针对基于GPS/MV组合导航方式的无人机空中加油问题,分析了对接阶段GPS及视觉传感器存在的条件约束。在建立导航传感器非线性相对位置测量模型的基础上,设计了基于扩展卡尔曼滤波的自适应联邦滤波器,并与集中式滤波进行了对比仿真。结果表明,提出的算法保证了部分传感器失效时导航数据输出的平稳性和容错性,滤波精度完全满足无人机空中加油相对导航系统要求。     

区域导航无人机空中基准站的多源信息融合容错导航系统研究

作为卫星导航系统的补充和备份,区域导航服务系统近年来得到较大发展。在基于无人机的区域导航服务系统中,无人机自身的定位精度对区域导航服务系统的可靠运行有直接的影响。针对无人机导航传感器及系统的容错和可靠性问题,设计了具有针对性和自优化功能的多源信息融合容错导航方案,提出了一种优化的基于矢量分配形式的自适应联邦滤波算法。通过对每个状态量设计不同的信息分配系数,实现传感器量测噪声的动态优化调整,有效减小了传感器故障对融合导航系统的影响,提高了无人机导航系统的鲁棒性。验证分析表明,该方法可以减小子滤波器故障信息对融合导航系统联邦滤波全局估计的影响,避免了故障子滤波器在信息重置过程中对系统造成的污染,提高和保障了无人机空中基准站多源信息融合导航系统的稳定性和可靠性。     

基于 LSTM的飞控系统状态监控

监测飞控系统状态参数是保证无人机飞行安全的重要手段。针对无人机飞控系统的组成特点和飞行控制律,设计并构建了基于长短期记忆网络(Long Short Term Memory Network,LSTM)的飞控系统状态监控模型。首先,利用无人机历史飞参数据训练模型,建立输入飞参数据与状态参数的回归映射关系;然后,利用训练好的网络模型,实时预测飞控系统的状态参数,通过对比实测值与预测值之间的差异,实现飞控系统的状态监控。选取无人机飞参数据进行实验,基于 LSTM的算法比反向传播神经网络(BPNN)、支持向量机(SVM)预测精度高,MSE平均值分别低 0.01和 0.26,MAE平均值分别低 0.05和 0.12。结果表明,所提出的方法能够有效监控飞控系统,为无人机飞行管理决策提供数据支持。     

第一视角飞行模式设计与无人机着陆试验研究

设计了一种第一视角飞行模式,同时观察图像与导航数据来控制无人机飞行并实现着陆.第一视角飞行是一种基于无人机上加装无线图像传输设备,在地面看屏幕操控无人机的操作模式.无人机操纵员通过观察前视探测器拍摄的图像和导航数据控制遥控器,地面控制站捕捉遥控器的输出信号并把该信号通过数据链传至机载飞控系统,从而实现对无人机的控制.该飞行模式的实现,提高了无人机飞行的机动性,突破了小型无人机只能在本场着陆的限制,使无人机可以在远离本场情况下安全着陆.     

基于UKF自主定姿方法研究

轻小型飞行器在飞行中卫星导航失效时,余度控制回路要求导航系统具有自主确定姿态的能力.提出了基于IMU的输出确定水平姿态的方法,并采用UKF实现飞行中的实时滤波估计.对某无人机实际飞行的MEMS型IMU数据进行了仿真,结果表明该方法给出的姿态角信息满足控制精度需求.将UKF与EKF滤波估计结果进行比较,UKF更具有优越性.     

一种无人机推测导航(DR)抗侧风控制策略

随着无人机应用领域的不断扩大，要求无人机在GPS信号失效时仍然能够保证一定的航迹跟随性能。在不给现役无人机增加其他的硬件配置的前提下，本文采用推测导航作为唯一的导航手段，并针对影响推测导航 精度的侧风扰动，研究了一种对抗侧风的控制策略。该策略的实质就是将普通的PID控制律改为一种容错控制律。仿真结果表明，这种控制策略在无人机作直线航迹跟踪时，效果十分理想。     

一种自主飞行的小型无人机系统设计

介绍了小型无人机系统的总体结构,分析了无人机的结构设计和算法,阐述了弹射起飞系统和伞降着陆系统的设计原理,采用嵌入式系统和GPS设计无人机的飞行姿态控制、导航控制、任务控制系统和数据链,实现了空中机器人的自主飞行。     

High accuracy navigation and landing system using GPS/IMU systemintegration

In this paper, the accuracy, integrity and continuity of function requirements for automatic landing systems using satellite navigation systems are discussed. Such a landing system is the integrated navigation and landing system (INLS) developed by Deutsche Aerospace (DASA/Ulm, Germany). The system concepts of the INLS are presented. It is shown how an INLS, based on system integration of a satellite navigation system (e.g., GPS) in realtime differential mode with an inertial measurement unit (IMU) in the accuracy class of an attitude and heading reference system (AHRS), can meet the requirements: the results given are mainly devoted to the accuracy issues. Using Kalman filter techniques, an in-flight calibration of the IMU is performed. The advantage of system integration, especially in dynamic flight conditions and during phases of flight with satellite masking, is explained. The accuracy, integrity and continuity of function of the INLS were proven by means of flight tests in a commuter aircraft using a laser tracker as a reference. These flight tests have shown that the short-term accuracy (<60 seconds) of the AHRS used within the INLS has been improved from low cost sensor quality to the accuracy of a high quality laser inertial navigation system (LNIS). With the presented INLS, a landing at any airfield, not equipped with conventional Instrument Landing System (ILS) or Microwave Landing System (MLS), is possible by using a very cost effective system. The INLS is a high accuracy navigation and landing system designed to be used instead of conventional landing systems at small airfields and to fill operational gaps of conventional navigation and landing systems in cruise and approach on large airports     

一种常规机动下机载SINS/GPS组合导航系统的可观测性分析

为保证机载捷联惯组的导航精度能够达到要求,需要对惯组定期进行返厂标定,成本高、周期长,也影响载机的使用效率,故而机载惯组在线标校技术的研究一直在不断进行中。对大中型运输机的机载惯组而言,由于其机体较大、机动能力较差,很难完成诸如S机动等复杂的机动动作,故而需要对其常规飞行机动状态下机载SINS/GPS组合导航系统的可观测性进行分析。利用GPS提供的速度和位置信息作为外部观测量来设计Kalman滤波器,采用基于分段线性定常系统(PWCS)的奇异值分解法(SVD),对飞机静止、起降、匀速飞行、匀加减速飞行、转弯等一系列常规机动条件下系统的可观测性和可观测度进行研究。通过Matlab仿真和转台实验,验证了组合导航系统可观测性分析结论的有效性,可为机载惯组的在线标校提供一定参考。     

一种新的低成本组合导航系统初始对准算法

基于低成本惯性测量单元的组合导航系统已经逐步成为导航领域的研究热点和主要发展方向。但是,低成本惯性元件精度低,无法进行自主初始对准。基于规范化四元数的概念,研究了一种仅利用GPS的位置和速度数据对组合系统进行初始对准的新算法,克服了传统滤波方法进行初始对准存在的诸多局限性。理论分析和仿真计算表明,这种算法仅受组合系统自身硬件条件的约束,可以较好地应用于组合系统中低成本惯性单元的初始对准。     

INS/GNSS组合导航系统空中快速对准方法

针对机载惯性/全球导航卫星系统(INS/GNSS)组合导航系统地面静基座对准时间较长、航向对准精度较低以及惯导空中故障重启后无法快速得到精确姿态信息重新进入导航状态等问题,提出一种快速初始对准方法。该对准方法基于惯性导航比力方程,利用GNSS的定位、测速信息与惯性测量组件(IMU)的输出信息解算载体姿态信息,并结合遗传-牛顿算法与求和自回归滑动平均(ARIMA)模型卡尔曼滤波信号降噪技术提高姿态信息的解算精度。基于实测飞行数据的解算验证了该方法的有效性、对准精度以及在实际工程应用中的优越性。