微小型無人機MEMS-IMU-GPS組合測姿系統(tǒng)研究.pdf

1、無人機正逐漸向著微型化、集成化、智能化、成本低、功耗低的方向發(fā)展，從而使其在軍事和民用領域應用越來越廣泛。由于微小型無人機的結構特點，其在空中飛行時，飛行穩(wěn)定性很容易受到氣流和風速等因素影響，因此為了保證微小型無人機的飛行穩(wěn)定性，性能良好的飛控系統(tǒng)是關鍵保障。通常采用以無人機的姿態(tài)信息作為反饋信息的姿態(tài)穩(wěn)定回路來控制無人機的穩(wěn)定性，因此，具有一套性能良好的姿態(tài)測量系統(tǒng)是微小型無人機能夠穩(wěn)定飛行的必要條件。隨著技術的不斷發(fā)展，MEMS逐漸

2、被應用到導航領域。其低成本、低功耗、微型化的特點使得慣性系統(tǒng)更加小型化，尤其是MEMS-IMU技術的發(fā)展，逐漸將傳感與信息處理集于一體，使得慣性系統(tǒng)向著集成化、微型化、智能化的方向發(fā)展。這使得慣性系統(tǒng)的應用越來越廣泛。
　　本文首先介紹了課題的研究背景與意義，綜述了無人機技術、MEMS技術、導航技術和無人機姿態(tài)測量技術的發(fā)展；介紹了姿態(tài)測量系統(tǒng)的理論知識，包括常用的坐標系及相應變換，Kalman濾波和基于指數漸消因子的自適應Kal

3、man濾波算法。其次，給出了姿態(tài)測量方案，通過對姿態(tài)四元數的最優(yōu)估計來實現(xiàn)姿態(tài)測量，應用加速度計和磁強計作為觀測器實現(xiàn)融合濾波。給出了求取精確重力場的方案并介紹了應用GPS求解機體運動加速度的方法。給出了系統(tǒng)初始對準的方案，實現(xiàn)對準與姿態(tài)更新同步進行。再次，針對MEMS慣性傳感器的性能，對其進行了誤差分析與補償，對MEMS陀螺儀和加速度計進行了建模與標定試驗。應用Allan方差法對MEMS陀螺隨機誤差進行了辨識，并進行了試驗分析。通過對

4、MEMS陀螺的隨機漂移進行了ARMA建模，并應用基于指數漸消因子的自適應Kalman濾波算法對其進行了補償。然后對GPS定位和測速原理進行了簡單介紹，重點給出了應用GPS測量載體運動加速度的原理，并通過基于指數漸消因子的自適應卡爾曼濾波算法對運動加速度進行了最優(yōu)估計，為系統(tǒng)基于加速度計求取準確的重力場奠定基礎。最后，給出了微小型無人機姿態(tài)測量系統(tǒng)的具體軟件實現(xiàn)方案，通過建立系統(tǒng)的數學模型，利用MATLAB軟件進行了仿真實驗，對比了純MI