基于Kalman滤波算法角度测量信号融合技术研究

针对车载激光通信转台姿态角控制中陀螺仪传感器存在漂移误差等问题,提出了以陀螺仪传感器和加速度传感器作为测量元件对车载转台的姿态角进行测量的方法,并在MATLAB软件平台上建立卡尔曼滤波器将传感器采集的信号进行融合,以加速度传感器输出的姿态角信息对陀螺仪测量的姿态角进行修正、补偿,以提高姿态角测量的精度。通过建立试验系统完成测试,结果表明：应用Kalman滤波算法对陀螺仪和加速度传感器信号进行融合后,有效地减小姿态角的测量误差,为准确获得转台姿态角信息提供了理论依据。     

飞机运动轨迹模拟器设计

为使用户能通过控制界面改变轨迹参数控制飞机的运动姿态,设计了飞机运动轨迹模拟器。该模拟器由轨迹模拟计算机和轨迹模拟软件组成。用户可根据飞机的运动参数及空气动力建立运动方程,给定控制规律,使飞机按照控制规律运动,即通过对飞机在每个控制时间段内的控制参数（俯仰角、偏航角、滚动角运动频率、盘旋周期、平飞高度等）的修改,控制飞机在空中飞行的姿态。在VC＋＋环境下编程并调试控制参数,得到的数据信息与理论值相符。模拟得出的数据结果表明,该模拟器能很好地模拟出飞机运动轨迹,并可通过数据接口将得到的角运动信息传递给6自由度运动模拟试验台,完成对惯性器件进行测试和飞行仿真。     

可分离式立体侦察机器人运动建模与仿真

针对陆空两栖侦察机器人侦察灵活性与姿态角估计准确性不足的问题,设计一种改进的可分离式立体侦察机器人。通过牛顿-欧拉法建立机器人姿态角解算模型,描述其横滚角、俯仰角和偏航角3种飞行姿态角。根据模型建立系统状态方程和观测方程,采用不敏卡尔曼滤波算法,进行姿态角解算,得到飞行姿态角最优估计值。对比仿真结果表明,不敏卡尔曼滤波算法比扩展卡尔曼滤波算法姿态角估计精度更高、实时性更强。实物性能测试结果表明,改进的机器人在空中飞行和地面运动性能表现良好,灵活性高。     

水下球形机器人BYSQ-2的原理与动力学分析

介绍了一种新型内置姿态调节机构的水下球形机器人BYSQ-2的结构构型、工作原理和性能参数,并分析该机器人的动力学特性,最后研究了机器人外壳的姿态保持控制方法.BYSQ-2内部的双驱动转向机构与螺旋桨推进器配合,可完成水下空间六自由度运动;分别建立球壳和配重的动力学模型;基于流体动力学分析,建立球壳姿态保持控制模型,并将非线性控制模型近似线性化,然后用模糊自适应比例-积分-微分控制器(PID)方法控制配重的摆角,使球壳姿态保持稳定.仿真结果表明,该方法可获得良好的动、静性能,是一种简单有效的控制方法.     

基于扩展卡尔曼滤波的多旋翼飞行器融合姿态解算算法

针对多旋翼飞行器飞行时机身振动对加速度计产生的噪声干扰,建立径向基(RBF)神经网络结构模型,提出扩展卡尔曼滤波融合姿态解算算法。采用加速度计解算的姿态角作为输入向量,四元数互补滤波解算的姿态角作为参考向量,通过学习不断调整网络最优权值,得到滤波后的由加速度计解算的姿态角,并将四元数互补滤波算法解算出的姿态角与经RBF神经网络非线性滤波得到的加速度计解算的姿态角进行扩展卡尔曼滤波融合姿态解算,以提高飞行器姿态角的解算精度。实验结果表明:基于RBF神经网络的非线性滤波算法可对加速度计解算的姿态角进行有效滤波,提高飞行器姿态角的解算精度;采用的扩展卡尔曼滤波融合姿态解算算法收敛速度快、稳定性强,能够更准确地实时解算飞行器的当前姿态,验证了该算法的可行性。     

微型四轴飞行器的设计与实现

四轴飞行器是通过调节电机转速来控制运动姿态的典型欠驱动系统,为研究飞行器的姿态控制问题,对飞行控制系统进行了初步设计.硬件部分以STM32单片机为主控芯片,采用MPU6050陀螺仪传感器完成飞行控制系统的选型设计,重点讨论了驱动电路、传感器和通信模块的选型设计.软件部分以PID控制为基础,重点介绍了姿态角检测过程中的四元数变换和卡尔曼滤波环节,这两个步骤保障了所得姿态角的准确性.仿真分析和室内测试显示,该硬件设计性能可靠,其姿态角控制达到了预期效果,对四轴飞行器的设计有借鉴意义.     

月球着陆舱在制动减速段的控制研究

分析了月球着陆舱在制动减速段对于控制的要求。以燃耗次优为出发点,求解得到无需进行迭代计算的期望姿态角计算公式,推导出仅与着陆舱的状态变量和终端约束相关的显式制导方案。基于滑模变结构控制方法,根据实际姿态角和期望姿态角的偏差,采用指数趋近律和边界层削抖的方法,设计了姿态跟踪系统,给出了姿控发动机的控制方案。仿真结果表明,该控制系统能够实现制动减速段的飞行目标,着陆舱经过514 s飞行后,在距月面2 km处将速度减为零,将姿态调整到垂直向下,较好地完成了飞行任务。     

应用滑动模态和时间尺度分离的航天器姿态控制

研究了基于时间尺度分离和滑动模态的航天器姿态控制问题.利用时间尺度分离的方法将航天器状态分成对应于姿态角的慢子系统和对应于姿态角速度的快子系统,从而构成内外两个控制回路,外回路跟踪给定的姿态角,内回路跟踪设计的姿态角速度.针对每个子系统分别设计PI型的滑动平面,在Lyapunov稳定性分析的基础上,推导出两个回路的变结构控制律.仿真结果证明了所提控制方法能够克服大幅值、高频率的外部干扰,比传统控制方法具有更高的精度和鲁棒性.     

一种非线性姿态系统的渐近解耦控制律

介绍了一种非线性姿态系统的渐近解稳定控制律。从卫星姿态控制的具体问题出发,针对姿态系统模型自身的非线性特点和控制任务要求,将原非线性控制系统变换为一渐近解耦、渐近稳定系统。在三个体轴旋转角速度和三个姿态角都可以得到的前年下,选取姿态角偏差作了新的状态变量,给出角偏差方程解耦时体轴旋转角速度所应满足的一个条件,并通过构造一类稳定的系统,求解出使这个解耦条件渐近成立的非线性反馈稳定控制律。所得到的渐近     

低成本无人机载空地导弹姿态测量误差研究

框架式陀螺仪可显著降低空地导弹成本,然而陀螺误差问题制约了空地导弹对目标的捕获概率和制导精度。提出一种基于泰勒级数公式的陀螺误差补偿方法,详细分析了陀螺仪输出误差源,建立了无人机载空地导弹陀螺仪输出误差模型,推导了导弹姿态角与陀螺仪输出的数学关系式。通过陀螺仪在三轴转台上的半实物仿真试验,验证了所建立的陀螺误差模型正确性和有效性。提出的误差补偿方法可将无人机载空地导弹偏航姿态角误差和倾斜姿态角误差在20 s内分别控制在0.4°和1°以内,且补偿方法简单实用,已经在工程上得到了应用。     

应用滑动模态和时间尺度分离的航天器姿态控制

研究了基于时间尺度分离和滑动模态的航天器姿态控制问题．利用时间尺度分离的方法将航天器状态分成对应于姿态角的慢子系统和对应于姿态角速度的快子系统，从而构成内外两个控制回路，外回路跟踪给定的姿态角，内回路跟踪设计的姿态角速度．针对每个子系统分别设计PI型的滑动平面，在Lyapunov稳定性分析的基础上，推导出两个回路的变结构控制律．仿真结果证明了所提控制方法能够克服大幅值、高频率的外部干扰，比传统控制方法具有更高的精度和鲁棒性．     

引入反演稳态误差补偿的机器人姿态稳定性控制律

机器人在抓取作业中,容易受到活动部件的小扰动影响,导致姿态失稳.为了提高机器人抓取物体姿态的稳定性,提出了一种基于反演稳态误差补偿的机器人抓取姿态稳定性控制律,分析机器人姿态控制的被控对象模型和控制约束参量,构造机器人的纵向运动动力学模型,采用扩展Kalman滤波方法进行机器人运动的姿态角校正和参量融合处理,引入反演积分项进行机器人运动姿态参量的稳态误差补偿和自适应调节,实现了运动姿态参量的无误差跟踪控制.仿真结果表明,采用该方法进行机器人的姿态控制稳定性较好,对机器人运动参量的拟合跟踪能力较强,机器人姿态角输出的误差能快速收敛为0,整个控制律是稳态渐近收敛的.     

子平台惯导系统在动基座上传递对准的研究

以舰载导弹中的平台惯导系统为子平台惯导系统，论述了在子平台经粗对准后，精确估算其姿态误差角、目标方位误差角、漂移率的方法，对速度传递和姿态角度差传递的两种估算方法进行了理论推导和仿真计算。讨论结果表明，姿态角度差传递估算法不但可解决多个未知量的求解问题，而且能自动消除姿态角传感器误差对估算的影响，这成为本文的新见解。     

一种具有多领航者的姿态协同控制算法

针对姿态角信息拓扑为无向图且角速度信息拓扑为有向图的情况,提出了一种基于相对姿态角和相对角速度信息的包容算法,利用代数图论理论,分析了姿态包容控制对角速度信息拓扑的约束条件.并针对无法获取相对角速度信息的情况,提出一种含角速度阻尼的控制策略,利用李雅普诺夫方法证明了该算法能够实现包容控制.系统仿真验证了所得结论的正确性.     

对四轴飞行器的控制算法的分析与仿真

四轴无人飞行器通过四个旋翼联合驱动实现垂直起降、滚转俯仰等姿态变换,根据机体坐标系和地面坐标系,推导转换矩阵,对系统进行控制输入并得到飞行器的非线性状态模型;基于PID控制算法原理设计一种双闭环PD控制器,在Matlab中进行姿态响应实验,给出位置和姿态角的响应波形,分析算法性能,最终验证设计的可行性。     

面向机动的临近空间飞行器自适应协调控制

为提高临近空间飞行器的机动性能,提出一种结合推力矢量的新型自适应滑模控制方法,并搭建闭环最优控制分配系统,实现气动舵面与矢量喷管最优分配,保证飞行器稳定机动飞行。首先为应对机动飞行环境中复杂不确定,设计新型自适应滑模控制器,放宽了现有自适应滑模控制不确定有界性限制,获得确保姿态角稳定跟踪的期望控制力矩。引入推力矢量技术的临近空间飞行器存在多种控制输入,控制分配是机动飞行控制的关键。其次为确保机动飞行稳定安全,从稳定性角度提升分配性能,设计闭环最优控制分配策略,将期望控制力矩精确稳定地分配到执行器,完成气动舵面和矢量喷管协调控制,实现机动飞行中姿态角对参考指令的稳定跟踪。仿真结果表明：推力矢量技术对于扩大临近空间飞行器横纵方向姿态角变化范围具有有效性,同时验证了所设计控制策略能够在复杂不确定影响下保证飞行姿态稳定。     

四旋翼飞行器控制系统的设计与实现

为了解决四旋翼飞行器的飞行控制问题,设计了一种基于位置式比例积分微分(PID)算法的飞行控制系统.该控制系统以MSP430f149处理器为中央处理器,以MPU-6050传感器为惯性测量器件.在搭建的姿态控制平台上,为了实现控制系统的稳定飞行,结合四旋翼飞行器的飞行原理对传感器输出的姿态角进行PID控制,然后将PID控制器的输出信号与电机的基本油门相结合,用以调节4路脉冲宽度调制(PWM)信号占空比的方式来控制电调电路,再由电调驱动电机并控制电机转速.结果表明,俯仰角、横滚角、偏航角的误差均小于1°,验证了PID算法对四旋翼飞行器姿态角控制的有效性,保障了飞行器自稳定控制的鲁棒性.     

基于扩张干扰观测器的再入飞行器终端滑模控制

针对再入滑翔飞行器存在时变非匹配不确定干扰的问题,设计了一种非线性扩张干扰观测器和新型双回路非奇异终端滑模控制律。首先将观测器状态变量扩张为干扰及其变化速率的估计值,再基于Lyapunov稳定性定理设计新型非线性干扰观测器;将再入飞行器系统方程分为姿态角外回路和姿态角速率内回路,分别设计具有干扰补偿作用的新型滑模面,以及能够有限时间收敛的非奇异终端滑模控制律。仿真结果表明,该方法可将传统非线性干扰观测器的估计精度提高约4%,控制系统跟踪误差得到明显降低,具有良好的动态特性。     

航空电磁探测的运动噪声时频特征分析

针对航空电磁探测系统由于姿态角度变化引入运动噪声的问题,提出了一种用于降噪去噪的时频特征分析方法。在法拉第电磁感应定律的理论基础上,仿真了姿态角引起的运动噪声的时、频谱图,分析了姿态角与运动噪声在时域和频域中的相关性。采用Gabor变换的时频分析方法,研究了姿态角产生的运动噪声对电磁响应的影响,从幅度关系上剖析了姿态角度与运动噪声的关联,对运动噪声和姿态角与其导数在不同频率点的相关性进行对比可知,与姿态角本身相比,其一阶导数对运动噪声的影响更显著。     

低成本全姿态角测量的设计

姿态的测量广泛的应用于汽车,手机,无人机等领域。本系统设计了一个基于低成本的MEMS器件和Arduino的三维姿态测量系统,并针对由于陀螺仪的随机偏移,姿态角误差随时间累积的问题,运用了加速度计和电子罗盘测量的数据利用互补滤波进行数据的融合,准确的得到了全姿态角信息。