无人机导航系统设计问题研究

导航系统是无人机的核心系统之一,主要用于向无人机提供速度、位置和飞行姿态等数据,引导无人机沿规划路线安全准时飞行.文章描述无人机的坐标系统,介绍INS(惯性导航系统)和GPS(全球定位系统)两种常用无人机导航系统的基本流程和应用领域,分析地图读取和天文导航等两种位置固定导航方法的工作原理,说明加速度计、陀螺仪、空速传感...     

小型无人机多传感器组合导航系统设计与实现

准确、可靠的运动状态数据对小型无人机运动控制至关重要,在实际飞行控制过程中通常要用到两种甚至更多传感器进行数据融合获取。文中根据小型无人机实际飞行运动控制需求,设计集成卫星导航(GPS)、惯性姿态参考系统(AHRS)和气压高度计的组合导航系统,采用多传感器数据融合算法,对无人机的位置、速度、加速度、姿态角等状态数据进行融合估计。通过实际飞行实验对所设计系统的有效性和实用性进行了验证。     

基于MEMS振动陀螺的旋翼无人机组合导航算法设计

旋翼无人机需要惯导提供准确的角速度和加速度测量信息,而由于无人机的振动会对陀螺输出噪声产生影响,进而影响无人机的飞行平稳性。因此,该文提出了一种面向旋翼无人机的组合导航算法,基于扩展卡尔曼滤波,结合全球导航卫星系统/惯性导航系统(GNSS/INS)组合导航算法和无地磁传感器的航姿参考系统算法,在一定程度上解决了GNSS失效情况下的姿态稳定问题。针对旋翼无人机对导航系统输出信息平稳性的要求,采用自适应陀螺采样平滑方法,在少量增加数据处理复杂度的前提下,降低了航姿和角速度信息的噪声,在无人机应用中实现了良好的飞行轨迹重复性和控制平稳性。     

无人机地形匹配辅助导航系统设计与仿真

根据无人机的飞行任务需要, 提出一种适用于无人机的地形匹配辅助导航系统。该系统采用TERCOM算法和SITAN算法相结合的地形匹配组合导航算法, 以满足无人机机动飞行情况下连续匹配的要求。为验证系统的有效性, 根据真实地形数据, 建立由数字飞机、飞行控制系统、惯性导航系统和地形匹配系统组成的闭环仿真平台, 研究了不同飞行条件对导航精度的影响。仿真结果表明, 该系统能够有效提高无人机的自主导航精度, 具有较高的工程实用价值。     

SINS/GPS/TACAN组合导航的联邦卡尔曼滤波方法

针对无人机飞行末段的飞行特点,提出了一种用战术空中导航系统(TACAN)辅助惯性导航系统(INS)、全球卫星定位系统(GPS)的新组合导航模式。详细推导了一种系数加权的联邦卡尔曼算法,并将此算法运用到SINS/GPS/TACAN组合导航中。通过融合导航系统的导航信息估计出组合导航系统的误差状态量,以提高导航系统定位精度。此算法不必计算加权矩阵,从而避免了求解滤波误差方差阵的逆矩阵,运算速度有所提高。仿真计算结果表明,该算法可抑制滤波发散,并提高导航系统的精度和速度,此组合导航模式有较好的容错性和环境适应性,具有实用价值。     

基于北斗导航的无人机系统设计

随着无人机技术的发展和成本的降低,无人机的应用越来越广泛, 被广泛应用于军事侦察、民用等领域。我国自主研发的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)全球组网完成,可为无人机提供精确的位置、速度、姿态等飞行状态信息。本文研究设计了基于北斗导航的低成本微型四旋翼无人机,给出了无人机系统的总体和软硬件详细设计。研究了无人机姿态控制算法,给出了四旋翼无人机的运动方程和传递函数,对PID控制算法进行了仿真。并研究了无人机定高、定点控制算法,给出了仿真结果。对四旋翼无人机进行了实际飞行测试,结果表明：设计的无人机系统能够较好的控制飞行姿态,同时具有低成本、体积小等特点。     

无人驾驶飞机的GPS导航系统

本文介绍了目前无人驾驶飞机（无人机）的几种定位和导航方法，提出了一种新的无人机导航系统：ＧＰＳ导航系统；论述了该系统的总体方案，分析了其关键技术；设计并实现了系统的硬件和软件。该系统可自主导航，也可用遥控系统辅助导航，还可用遥测系统监测；可只用ＧＰＳ单机，也可借用遥控信道进行ＧＰＳ差分。这是一种应用前景很好的无人机导航系统。     

基于SINS/RTK的动平台起降无人机导航系统研制

针对无人机在动平台起降时对导航系统提出的导航精度高,解算无人机与动平台降落点的相对定位精度高,体积小及质量小等要求,该文基于捷联惯性导航（SINS）、北斗动动载波相位差分（RTK）技术及采用卡尔曼滤波多源导航信息融合技术,研制了动平台起降无人机导航系统。试验结果表明,系统地理系导航精度：航向≤02°（1σ(σ为方差））,姿态≤0.15°（1σ）,水平定位≤0.4 m（1σ）, 高度≤0.8 m（1σ）;动态下导航系统与移动基准站相对精度：水平定位≤0.05 m（1σ）,高度≤0.1 m（1σ）。飞行试验表明,导航系统满足无人机在动平台起降对导航精度的要求。     

美军舰载导航系统研究

导航传感器系统接口(NAVSSI)是美军舰载导航系统的核心部件,可为舰艇提供精确、实时、综合的位置、导航、授时(PNT)服务,本文研究NAVSSI如何满足这些需求以及在信息安全方面采取的一些措施。     

基于单目视觉的旋翼无人机定位系统设计

随着航空科技的不断进步,为了完成载人飞机无法完成的高危险任务,无人机的发展受到了广泛关注。传统的位置信息获取依赖GPS和IMU传感器,但在城市楼宇、室内区域,GPS难以准确获取位置信息从而失去效能,而机载IMU传感器又常常会出现较大的姿态角积累误差给无人机的导航带来一定的难度。针对室内或复杂未知环境下无GPS等外部定位辅助系统的无人机的自主定位和导航问题,文章提出一种轻量级、低成本、实时性强、稳定性高的基于单目相机的视觉定位系统方案,搭建了定位系统的硬件和软件架构,研究了单目视觉定位算法,该系统能准确获取无人机的自身位置信息,辅助无人机自主导航、姿态控制等任务顺利执行。     

偏振光传感器在四旋翼飞行器中的应用

为了实现偏振光传感器在实际三维空间中的导航应用,设计了一种基于仿生偏振光导航传感器、微惯性测量单元（MIMU）与全球定位系统（GPS）的组合导航控制系统,并实际应用到了四旋翼导航控制之中.本文首先介绍了偏振光传感器的功能模型和测角原理.其次采用扩展卡尔曼滤波（EKF）技术设计了偏振光传感器、MIMU、GPS的信息融合算法,通过室外飞行试验对该导航系统的性能进行了测试,并与传统MIMU/GPS/电子罗盘导航系统进行了比较.结果显示：在有磁场干扰环境下,基于偏振光的导航控制系统平均位置精度较传统导航系统提高了50.4%.实验结果表明：该导航控制系统实时性好、精度较高、抗电磁干扰能力强,且误差不随时间累积,基本满足移动载体进行自主导航时的精度和可靠性要求.     

GNSS/INS紧组合定位技术简介

随着科学技术的发展,人们对动态载体运动目标的跟踪精度和可靠性要求越来越高,依靠单一传感器进行的导航与跟踪控制已不能满足需要,于是出现了多系统的组合导航。全球卫星导航系统(GNSS)与惯性导航系统(INS)作为当前最常用的两种导航手段具有各自的优缺点,GNSS与INS组合构成的GNSS/INS紧组合导航系统取各子系统之长,在智能车研发、车道级导航及移动地图匹配等方面具有广阔的应用前景,是当前导航技术领域最受关注的研究热点和发展方向之一。     

基于扩展卡尔曼滤波器的无人机状态估计

在无人机飞行过程中,由于低成本无人机对状态反馈不准确和外部干扰对传感器的影响,导致飞行时间一长会出现漂移现象,使得无人机产生浮动等不良问题。为了解决这些问题,提出一种适用于小型无人机状态估计的四元数扩展卡尔曼滤波数据融合算法,该算法通过建立四元数系统观测模型和传感器量测模型,解决了低成本传感器对无人机位置和姿态直接测量的低精度和易被外界干扰的问题,有效提高了状态估计的精度。仿真实验验证了算法的有效性。     

GNSS/INS组合导航在飞行校验系统中的应用

目前的飞行校验系统以 GPS 作为空间基准,这种定位方式在精度、性能、可靠性方面都存在着固有缺陷。本文介绍的同步定位-姿态-导航(SPAN,Synchronous Position,Attitude and Navigation)技术集合了两种不同但互补的技术：全球导航卫星系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)定位技术和惯性导航技术。通过二者的结合,SPAN 技术可以达到取长补短的目的,组合后的导航系统无论在精度、性能、可靠性方面都优于单独的子系统。将这项技术应用于飞行校验系统,利用 GNSS 定位的绝对精度加上惯性测量单元(IMU)陀螺和加速计测量的稳定性,就可以在卫星信号丢失或者高动态应用环境下仍然提供持续、稳定、可靠的位置及姿态数据。     

一种支持传感器即插即用的模块化信息融合方法

单一导航传感器无法提供实时、可靠的导航信息,通常利用多源信息融合手段提升导航精度、实时性和连续性。针对多传感器融合引入的导航系统开发难度大、复杂度高的问题,文中设计一种充分利用导航传感器间互补特性的全源导航系统,提出一种模块化信息融合方法,通过独立设计系统状态模块、量测模块、滤波器模块,有效地降低系统的开发周期,提高系统的灵活性,使系统组件具备即插即用的能力。最后,通过卫导接收机的杆臂估计实验,验证状态模块的可插拔性;通过组合导航系统的无缝切换实验,验证传感器、滤波器的即插即用能力。仿真实验结果表明,所提出的模块化信息融合方法不仅支持传感器的即插即用,还可以降低导航系统开发难度,提高开发效率。     

小型无人机航路规划及自主导航算法研究

为了实现无人机自主导航功能,定义了以发射点为坐标原点的地理导航坐标系,给出由WGS-84坐标系到导航坐标系的具体转换公式;设计了航路中的航点结构,利用GPS接收机输出数据对无人机的位置进行两点式实时推算,对无人机在直线航路段和转弯段的判断和侧偏距进行了详细讨论,避免了超越函数的计算;利用比例-微分导航控制律求得无人机的滚转角,通过飞控系统控制无人机副翼舵机,修正飞行航迹,达到消除侧偏距的目的。这些方法和措施提高了小型无人机的自主导航控制精度和稳定性,使小型无人机具有较好的飞行品质。     

无人机导航技术应用与发展趋势

无人机导航系统是无人机完成给定任务的关键要素之一.本文分析了现有的导航技术和无人机导航系统应用现状.研究了不同类型无人机执行任务的环境、特点和相对应的导航方式;提出了未来无人机导航系统的发展趋势.     

“北斗”导航系统和无线电台在无人机监控系统中的应用

针对GPS系统为美国军方控制的现状,研究了以我国已具备区域导航定位的能力的"北斗"卫星导航系统和无线数传电台为核心的无人机状态监控系统。系统以MSP430系列处理器为控制单元,利用UM220"北斗"导航接收机获取无人机的状态信息,通过无线数传电台EL805将机载信息发送至地面监控中心以及接收地面监控中心的控制指令,并利用虚拟仪器软件LabVIEW开发无人机监控平台,实现无人机飞行姿态的监控。引入范数的概念对"北斗"导航定位性能进行分析。实验测试表明,该系统运行稳定,人机交互界面良好,信息化程度较高。本研究对摆脱GPS,利用"北斗"实现无人机和通用航空飞机的导航和监控具有一定的参考价值。     

基于MEMS技术的微型组合导航传感系统研究

大型无人机的航姿系统、大气数据系统及惯性导航系统等导航设备因结构复杂、体积、重量大及价格昂贵等因素,无法在微型无人机(MAV)上使用.本文采用PC104嵌入式微机、MEMS集成技术、数据融合技术及GALILEO技术,实现了一种用于微型无人机的微型组合导航传感系统.以C语言及汇编语言作为系统软件的开发平台,增强了系统软件的可维护性及可扩展性.该系统集飞机航姿系统、大气数据系统、惯性导航传感器等功能于一身.实验室和现场的测试结果表明,该传感系统提高了导航精度,简化了结构,缩小了体积,减轻了重量.该系统拟用于微型无人机.     

惯性导航位移参数在大地坐标系中的严密计算方法

对高速移动的物体进行连贯、精准的全球实时定位,需要运用在多方面互补的全球导航卫星系统(GNSS)和惯性导航系统(INS)进行组合导航(GNSS/INS)。针对两种导航系统所属坐标基准不统一的问题,提出了以全球导航卫星系统所依据的大地坐标系为基准,将惯性导航系统测得的三轴位移参数转换为参考椭球上沿大地经度、大地纬度和大地高方向位移值的严密计算方法。从而实现该组合导航系统中两种不同基准导航参数的精确融合,进而有效增强了GNSS/INS组合导航系统的精确性、稳定性和可靠性。