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。     

基于双目视觉和惯性器件的微小型无人机运动状态估计方法

针对微小型无人机(UAV)自主运动状态估计问题,提出了一种基于双目视觉和惯性器件的微小型无人机运动状态估计方法,运动状态估计系统由微惯性测量单元(MIMU)和2个摄像机组成.根据微惯性测量单元的输出更新无人机运动状态,同时由摄像机获得周围环境的图像序列,从序列图像中提取特征点,并对这些特征点进行匹配、跟踪,测量序列图像...     

基于扩展卡尔曼滤波的小型固定翼无人机姿态估计方法分析

随着小型固定翼无人机的发展,由于其成本低、体积小的特点受到越来越多的企业青睐,但是由于成本问题,导致大部分企业只能选择成本较低的传感器,因此,针对固定翼无人机的姿态估计变得困难。为了解决这个问题,需要研究出一种新的姿态估计方法。利用离散型扩展卡尔曼滤波原理,结合常用的惯性导航系统和卫星定位系统,对小型无人机姿态进行估计解算。仿真结果显示,该方法可以准确地估计出无人机的姿态信息,其最大误差不超过2°,通过与未进行滤波算法处理的结果相比较,大大地减小了姿态估计的误差,因此这种基于扩展卡尔曼滤波的姿态估计算法针对小型无人机的姿态估计是可靠的。     

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%。     

基于载体姿态测量的微伺服吊舱

针对微小型无人机光电吊舱对光轴稳定与目标跟踪的需求,研究了一种基于载体姿态测量的光学平台稳定技术.该技术利用吊舱基座上的速率陀螺测量机体三轴姿态运动,通过控制光学平台的俯仰和偏航两通道伺服系统实现对光轴的惯性空间稳定.该系统使用步进电机来当执行机构,根据步进电机的特性,可以推导得到控制量与转速的关系,由此省去了在一般捷联稳定技术中的微分测速环节,得出了一种新的基于前馈控制的不变性原理.设计了解耦指令分配算法,将一个两轴耦合系统,转换为两个独立的单轴系统.在单轴控制中,分别设计了比例控制及比例积分控制算法实现对光轴的稳定控制和跟踪.最后通过在Matlab/Simulink环境下的仿真,以及实际的摇摆台试验,证明了基于载体姿态测量的稳定技术能够实现微小型无人机光电吊舱的光轴稳定.     

三轴稳定卫星无陀螺姿态确定算法研究

针对三轴稳定卫星进行了正常飞行模式下无陀螺姿态确定算法研究，采用磁强计、地球敏感器和太阳敏感器组合获得姿态数据，利用四元数法和高斯－马尔可夫过程建立了姿态确定估计器算法模型。通过数学仿真证明，此姿态确定算法能够对星体姿态进行较精确的估计或校正，满足卫星控制精度要求。     

一种用于弹道导弹助推段的多机协同探测方法

针对远程弹道导弹助推段协同探测问题,在双机协同探测的基础上,提出了一种试探机动轨迹优化与三轴分离IMM-EKF (TASIMM-EKF)滤波算法相融合的多机协同探测方法。首先,考虑到探测无人机自身位置对于目标定位精度的影响,提出了采用试探机动轨迹优化策略对各探测无人机进行轨迹优化。同时,提出了一种三轴分离IMM-EKF滤波算法。仿真结果表明,该方法能有效提高状态估计精度,缩短估计时间,对机动目标状态估计表现出良好的性能。     

基于航向匹配的磁力计外场无依托标定算法CSCD

三轴磁力计的测量精度会受到自身和环境的影响,因此在使用前必须要进行标定。传统标定方法需要特定的精密仪器和标定环境,或是对计算量和采集数据的方式有较高的要求,针对这些问题,提出了基于航向匹配的磁力计外场无依托标定算法。该算法无需特定精密仪器、对数据采集和计算量的要求也较低,且可以在现场实现有效动态标定。该算法基于航向角是磁航向角与磁偏角代数和的原理,通过等价数学变换构建了磁力计零偏关于姿态角与磁力计测量值的线性模型,最终采用最小二乘法对磁力计的零偏进行估计。该算法可以估计三轴磁力计的零偏,对磁力计的测量结果有较好的补偿作用。实验结果表明,该算法可有效标定三轴磁力计,减小其测量误差。经标定的磁力计可以应用于地磁匹配导航,辅助惯性导航修正其位置误差,尤其是在长直路段内,磁力计标定过程中识别出的磁异常数据可以为地磁匹配导航提供基础信息。     

网络攻击下无人机信息物理系统的自适应状态估计

针对网络攻击下无人机信息物理系统(CPS)的安全状态估计问题,提出了一种基于自适应方差极小化的递推状态估计器(AVMRE)。通过将针对控制输入和传感器数据的恶意攻击分别建模为状态和量测方程中的未知干扰项,建立了未知干扰解耦状态递推估计器,实现滤波误差中的量测未知干扰解耦,利用滤波残差设计自适应调整因子对估计误差上界进行极小化,应用最小方差估计准则求解出算法中的量测增益反馈矩阵。同时引入事件触发机制,使得系统在保持一定估计精度的情况下节省通信资源。此外,给出了滤波误差指数有界性的充分条件。无人机飞行模型仿真验证了本文算法相比传统算法的有效性和优越性。     

基于惯性/激光测距/视觉里程计组合的高空场景尺度误差估计方法

惯性/视觉感知信息融合导航定位技术是目前实现无人机不依赖卫星自主导航的最有效手段。但对于面向高空场景的大型无人机,惯性器件误差与视觉里程计尺度误差耦合且特征平面化导致可观测性下降。针对这一问题,提出了利用惯性/激光测距/视觉里程计组合实现尺度误差估计的方法。通过开展误差模型建立、激光测量点与图像中位置匹配、无人机平飞机动下系统可观测性分析等关键技术研究,实现了高空场景下尺度误差的精确估计。经过300m高度机载试验数据验证,算法精度优于1.5%D,对卫星拒止条件下高空无人机自主导航具有重要意义。     

三轴磁通门传感器误差校正方法

三轴磁通门传感器在军事和民用领域应用广泛,但由于其存在三轴非正交、零偏和标度系数不一致的问题,导致其存在转向差,影响了其磁测精度。首先,分析了转向差的产生机理,建立了误差模型,通过最小二乘法估算出了误差参数,进而对磁测数据进行了转向差校正。仿真计算表明,该算法对误差参数估算准确,对磁场分量和总场模值均有较好的校正效果,证明了算法的有效性。在磁场测量实验中,利用该算法估算出了传感器的误差参数,并对实测磁场数据进行了校正。校正后,数据的转向差得到了明显抑制,提高了三轴磁通门传感器的测量精度。     

Extension of a Two-Step Calibration Methodology to Include Nonorthogonal Sensor Axes

We present an extension of the nonlinear two-step estimation algorithm originally developed for the calibration of solid-state strapdown magnetometers. We expand the algorithm to include nonorthogonality within a sensor set for both two- and three-axis sensors. Nonorthogonality can result from manufacturing issues, installation geometry, and in the case of magnetometers, from soft iron bias errors. Simulation studies for both two- and three-axis sensors show convergence of the improved algorithm to the true values, even in the presence of realistic measurement noise. Finally the algorithm is experimentally validated on a low-cost solid-state three-axis magnetometer set, which shows definite improvement postcalibration. We note that the algorithm is general and can be applied to any two- or three-axis sensor set (such as accelerometers) with an error model consisting of scale, offset, and nonorthogonality errors.     

磁强计数据辨识卫星自旋状态

针对近地低轨三轴稳定卫星在轨管理后期,除磁强计外其他姿态敏感器都无效情况下的姿态异常问题,分析了三轴稳定卫星失去姿态基准后,星体自旋状态下三轴磁强计测量数据的特点,提出了使用磁强计测量数据的矢量信息,以找到能够获取卫星状态的方法,从而建立了磁强计测量矢量与卫星自旋轴的几何关系,给出了处于自旋状态下的卫星自旋轴确定方法。通过此种辨识方法,获得了某气象卫星姿态异常翻转状态下的自旋矢量方向和自旋角速度,从而证明了该辨识方法快速、有效,可以作为姿态异常卫星自旋状态的辨识手段,为恢复卫星姿态提供了重要信息,具有一定的工程应用价值。     

基于三维原子磁强计的核磁共振陀螺仪实验优化

核磁共振陀螺仪内嵌三维原子磁强计是实现核磁共振陀螺仪小型化的一种有效途径,故介绍了一种基于三维原子磁强计的核磁共振陀螺仪.对影响三维原子磁强计性能的重要参数进行了优化,得到了较优的x轴、yy轴和z轴磁强计信号标度因子,进而实现了更灵敏的三维原子磁强计.在三维磁场闭环锁定6000 s后,测得核磁共振陀螺仪的角度随机游走和...     

三轴矢量原子磁力仪综述

原子磁力仪可分为标量磁力仪和矢量磁力仪两大类。标量磁力仪的测量结果与传感器的姿态无关,对平台的机动不敏感。矢量磁力仪能够获得更多的磁场信息,可以实现更精确的磁源定位。目前,共有7种三轴矢量原子磁力仪,测量方法分别为磁场扫描法、磁场旋转调制法、磁场轮流抵消法、磁场投影法、磁场交叉调制法、磁场分立调制法和自旋进动调制法。重点对上述7种三轴矢量原子磁力仪的测量方法进行了整理和分析。     

DOA estimation for attitude determination on communication satellites

In order to determine an appropriate attitude of three-axis stabilized communication satellites, this paper describes a novel attitude determination method using direction of arrival （DOA） estimation of a ground signal source. It differs from optical measurement, magnetic field measurement, inertial measurement, and global positioning system （GPS） attitude determination. The proposed method is characterized by taking the ground signal source as the attitude reference and acquiring attitude information from DOA estimation. Firstly, an attitude measurement equation with DOA estimation is derived in detail. Then, the error of the measurement equation is analyzed. Finally, an attitude determination algorithm is presented using a dynamic model, the attitude measurement equation, and measurement errors. A developing low Earth orbit （LEO） satellite which tests mobile communication technology with smart antennas can be stabilized in three axes by corporately using a magnetometer, reaction wheels, and three-axis magnetorquer rods. Based on the communication satellite, simulation results demonstrate the effectiveness of the method. The method could be a backup of attitude determination to prevent a system failure on the satellite. Its precision depends on the number of snapshots and the input signal-to-noise ratio （SNR） with DOA estimation.     

基于MEMS陀螺仪辅助的粒子群优化磁力计校正

目前磁力计校正中存在需要采集大量数据、获取良好的初值和已知准确的传感器噪声分布等问题,传统的粒子群优化磁力计校正算法能够解决以上问题,但是该算法只能用于磁力计简化模型,校正其中9个误差参数,造成补偿不准确的问题。该算法借助MEMS陀螺仪建立矢量目标函数,采用随机漂移粒子群优化算法估计磁力计12个误差参数,具有较强的全局搜索能力和动态适应性。经过仿真与实测实验表明,该算法在磁力计绕其任意2个单轴不完整旋转1周即可实现校正,并且能够在磁场变化情况下保持精度,相比于传统算法补偿精度高、操作简单。     

Magnetometer Compensation Scheme and Experimental Results on ZDPS-1A Pico-satellite

In a pico-satellite with small volume, measurements from on-board three-axis magnetometer (TAM) are not accurate, as it can be easily disturbed by other electronic systems. To improve its accuracy, a scheme of compensation methods is introduced in this article. The scheme is based on an improved measurement model of pico-satellite TAM, and it mainly consists of three steps. First, in satellite design stage, several techniques are recommended to simplify the afterwards compensations. Then after satellite assembly, TAM ground tests and pre-launch calibration with least-square batch filter are introduced to improve magnetometer performance. At the end, a post-launch calibration with unscented Kalman filter (UKF) is implemented with in-orbit data. The compensation scheme is used in the development of Chinese pico-satellite ZDPS-1A made by Zhejiang University. Results show that with the introduced compensation scheme, the maximum error of ZDPS-1A TAM can be reduced from 80 mG to 6 mG (1 G=10-4 T).     

基于改进的磁场检验和主方向算法的行人航向估计

针对以惯导为核心的行人定位算法存在航向角失真的问题，提出了一种融合惯性测量单元(IMU)和磁力计的行人导航算法，利用步幅航向的变化量将行人的运动分为直线行走和曲线行走两部分，当检测到行人直线行走时，提出一种实时建立主方向的自适应航向角漂移修正算法，对航行角误差进行补偿；当行人曲线行走时，辅助地磁场信息，使用磁场强度、地磁倾角、惯性导航系统(inertial navigation system，INS)与磁力计解算的航向角之差这三个特征值构建广义似然比检验量，对磁场进行判断获得稳定状态磁场信息，通过卡尔曼滤波对航向角误差进行补偿。将传感器置于足部进行实验，实验结果表明,两种算法可以实现优势互补，有效地抑制地磁信息的干扰，提高导航精度，算法结果相对于无航向角修正的零速修正算法、零角速度更新算法和单独使用磁力计进行融合的算法，定位误差分别降低了91.02%、82.93%和61.39%，室外和室内终点定位误差分别为4.545 4 m和0.543 6 m，占总路程的0.69%和0.17%。