基于SLAM的旋翼无人机组合导航算法研究

在旋翼无人机组合导航中,针对缺乏GPS作为导航信号源的室内飞行环境,为了达到精确定位的目的,提出一种基于SLAM（simultaneous localization and mapping）的旋翼无人机组合导航算法。首先,引入双线性插值算法,实现基于扫描匹配的即时定位与地图构建;其次,对陀螺仪、加速度计和磁罗盘建立捷联惯导系统误差模型,针对旋翼无人机的使用环境对误差模型进行简化;最后,应用联邦卡尔曼滤波算法,设计组合导航系统模型,将SLAM算法和捷联惯导系统估计出的位置数据进行融合。仿真结果表明所设计基于SLAM的旋翼无人机组合导航算法能够进一步提高组合导航系统对旋翼无人机位姿估计的精度。     

基于J2ME手机矢量地图及定位技术的应用研究

基于定位的服务（LBS）是指为移动设备的用户提供一系列个性化的与位置相关的服务。文章着眼于J2ME技术的应用，开发一项向无线用户提供的增值业务——手机地图，对手机地图实现矢量地图缩放、地理信息等功能进行分析和研究。     

无人机平飞下激光雷达和双目视觉融合的SLAM建图

针对无人机在较快运动下使用单一传感器难以有效构建地图的问题,提出一种基于LiDAR与双目融合的建图方法。利用LiDAR获取远处环境信息,提取物体的边界信息减少数据冗余,实现预先地图的构建;使用双目获取近处的信息,同时利用改进的特征金字塔法以实现特征快速提取,与LiDAR预建地图并行计算提高运行效率;最后将视觉特征与LiDAR预建地图融合构建二维地图。实验表明,该方法在无人机不同速度下可构建可靠性更高、更精确的环境地图,可为快速无人机的实时避障提供位置信息。     

基于地图的移动机器人自定位与导航系统

针对地图已知情况下的移动机器人大范围导航问题,研制了一个由地图编辑器模块、地图匹配与定位模块以及多层递阶规划模块三部分组成的移动机器人导航系统．地图编辑器负责导航地图的编辑;地图匹配与定位模块利用里程计和激光雷达数据实现基于地图匹配的自定位;多层递阶规划模块将基于拓扑地图的全局规划、基于栅格地图的局部规划和底层的行为控制功能有机结合．通过室内定位和大范围导航实验评估了本系统的有效性和准确性．     

长航时无人机惯性/天文组合导航算法研究

针对捷联惯导/GPS组合导航系统的抗干扰性差、捷联惯导/星敏感器组合系统不能解决惯导位置发散的问题,提出了一种采用捷联惯导与基于间接敏感地平的天文导航相组合的长航时无人机导航新方案。分析了最小二乘微分校正天文定位方法对无人机的定位原理,设计了组合导航的滤波器,推导了系统的观测矩阵。仿真结果证明,组合方法能较好地实现无人机的定位定姿,具有较强的抗干扰性和较高精度,可以满足长航时无人机导航系统的要求。     

全景化智能小车

本文设计的智能小车硬件系统使用英伟达的Jetson Nano开发板,软件系统使用Ubuntu18.04搭配ROS1.0。视觉巡航模块运用深度学习中的CNN网络对赛道图片和转向数据进行训练,建立赛道转向的数学模型;交通标志检测模块使用YOLOv5对特定的交通标志进行训练与识别;导航避障模块使用激光SLAM的方法,采用Gmapping建图算法建立实时局部地图,然后运用扩展卡尔曼滤波算法融合里程计与IMU数据进行定位,通过激光雷达扫描得到环境中障碍物的位置信息,再使用导航算法实现障碍物区域的路线制定,以此实现自动行驶。     

MIMU/GPS组合导航系统小型化设计

为满足小型无人机、手持制导设备及无人探测车等对低成本轻重量导航系统需求,应用MEMS惯性测量单元和GPS接收机模块,完成MIMU/GPS组合导航系统小型化设计。组合导航计算模块基于DSP+FPGA+FLASH设计完成,实现多传感器通信、串并行数据转换及与上位机人机交互等功能。将计算模块、电源模块、MIMU及GPS接收机集成到嵌入式MIMU/GPS组合导航系统中,完成的系统直径80 mm,高度80 mm,质量不超过600 g。对集成后系统进行定点动姿态实验,结果表明:该组合导航系统定点位置测量精度在1 m以内,动姿态测量精度姿态角在0.1°以内,航向角在0.5°以内。     

基于惯导/数据链的动态相对定位方法

针对卫星导航定位在复杂环境不可靠情况下如何实现无人机机间相对定位问题,提出一种基于机载惯性导航系统与机间数据链测距相结合的动态相对定位算法。该方法利用机载数据链通信测距能力与机载惯性导航系统输出的无人机速度矢量信息结合,建立机间相对定位模型,通过最小二乘法对无人机之间的相对位置进行估计,实现无人机机间的实时相对定位能力。由于通过最小二乘法解算出的相对定位结果依然存在误差,针对最小二乘法相对定位误差,提出秩亏网平差算法对无人机机群间的相对定位误差进行校正。仿真结果表明：基于最小二乘法的相对定位方法可以减缓惯性导航系统相对定位误差发散速度并且将惯导相对定位精度提高到3倍左右,通过秩亏网平差算法校正将最小二乘相对定位精度提高2倍。     

实时图像匹配辅助无人机导航研究

针对GPS/INS组合导航系统在抗干扰性和精度上不能完全满足无人机导航系统要求的问题,利用实时图像匹配辅助无人机导航的方法进行仿真研究.首先,对输入图像进行目标识别定位,为了满足系统的实时性要求,研究采用光电混合联合变换相关器进行实时图像匹配,仿真结果表明,目标的识别定位精度小于两个像素,能够为无人机提供精确的导航信息;再根据摄影测量原理计算导航信息中的位置和姿态角信息;最后,将匹配定位得到的导航信息通过Kalman滤波器与惯导系统解算的导航信息进行信息融合,仿真结果表明,滤波后导航信息的误差均获得了较明显的收敛,提高了无人机导航系统的抗干扰性和导航精度.     

音频感知哈希闭环检测的无人机仿生声呐SLAM算法研究

针对基于SLAM技术无人机在特定高度下构建二维经历图的优化问题,在RatSLAM的基础上,采用仿生声呐系统代替视觉传感器的BatSLAM模型和音频感知哈希闭环检测,实现在暗光条件下的二维经历图优化。BatSLAM模型通过绝对差值和（SAD）图像处理方法来进行仿生声纳模板的更新,此方法仅仅判断二幅耳蜗图外观是否一致,不存在几何处理和特征提取。由于耳蜗图在获取和传输过程中会产生各类噪音,相同位置获得的耳蜗图具有一定的差异,会导致构建的经历图失真。本文在BatSLAM的基础上,使用音频感知哈希算法对耳蜗图进行特征提取,并进行闭环检测。改进后的算法不仅考虑到外观,而且考虑到相邻频带间的能量差异,通过提高闭环检测准确率,来改善经历图的失真问题。仿真实验表明:采用基于音频感知哈希闭环检测的BatSLAM模型,不仅实现了无人机特定高度和暗光条件下二维经历图的构建,而且提高了闭环检测准确率,从而改善经历图的失真问题,实现经历图的优化。     

基于模糊控制的无人机大气数据模拟系统研究

大气数据系统可为飞机提供高度、高度速率（升降速度）、空速和马赫数等飞机飞行状态的重要信息,并应用于飞控和导航系统中。为满足无人机半物理仿真研究的需求,提出了一种新颖的大气数据系统模拟方案,建立了由微分方程组描述的大气数据模拟系统的变结构非线性近似模型,并在此基础上进行了斜坡输入模糊控制器设计和数字仿真。仿真结果对比表明当模糊控制器各模糊语言值取高斯型隶属函数时调节时间短、进入稳态后响应平稳,控制效果最佳。     

基于GPS仿真器的无人机导航系统半物理仿真研究

讨论了无人机导航半物理仿真系统中GPS仿真器的设计方法;根据GPS接收机输出信息的特点和WGS-84与各种坐标系的转换关系,将飞机模拟系统解算得到的无人机位置信息转换成与之对应的GPS信号传输到导航链路,用于无人机航迹控制;根据导航飞控系统功能的要求,构建了一个半物理仿真平台来验证此系统,试验结果证明了采用模拟GPS仿真器完全可以对导航软件的功能进行有效的验证,并达到了预期设计要求。     

无人机低空滑翔抗攻击突防控制律优化设计

为了提高无人机的低空滑翔抗攻击突防和控制能力,提出一种基于快速模型预测的无人机低空滑翔抗攻击突防控制技术。采用融合传感识别技术进行无人机的姿态和位置参数信息采集,分析无人机的低空滑翔控制的物理环境参数模型,构建无人机飞行轨迹地图模型,使用标准卡尔曼滤波器进行无人机低空滑翔抗攻击突防控制信息的融合处理,根据信息融合结果进行控制指令设计。采用动态基元轨迹跟踪方法,得到无人机低空突防控制的滑模面,在有限Morrey空间内采用串联弹性驱动控制方法求得在控制约束参量分布模型的最优解。根据无人机低空突防段的初始位姿参数进行快速模型预测和飞行轨迹跟踪,实现低空滑翔抗攻击突防控制。仿真结果表明,采用该方法进行无人机低空滑翔抗攻击突防控制的精度较高,无人机的姿态参数的自适应调节性能较好。     

小型无人机三维导航控制研究

为提高小型无人机自主飞行的安全性能,更好地执行特定任务,在二维平面导航的基础上提出一种三维导航控制方法;给出三维导航控制器总体结构的设计,介绍了非定高下航程推算的原理,重点阐述了自主飞行中如何在平面导航基础上引入高度控制;利用Matlab/Simulink工具箱搭建仿真模型对三维导航控制律进行仿真验证;仿真结果表明,设计的控制方法切实可行,三维导航系统稳定性良好。     

基于北斗导航系统的无人机飞行监管系统设计

针对无人机空中管理存在的问题,研究开发一种由基于北斗定位的机载监测终端和飞行监管中心构成的无人机飞行监管系统.终端以低成本高可靠的STM32F407为控制单元,采用UM220北斗接收机获取无人机的状态信息,通过GPRS移动通信方式把状态信息回传到监管中心平台.在Visual Studio2010平台上以Visual Basic.NET语言开发监管中心平台,通过调用百度地图API,实现无人机的实时飞行监控,并将回传信息存入MySQL数据库.对利用北斗卫星导航系统实现无人机的监管具有一定的参考价值.     

基于卡尔曼滤波的轨迹规划高度修正仿真实现

综合地形跟随/地形回避（TF/TA）是新一代低空突防技术,其中的轨迹规划技术是飞行器低空突防飞行控制律设计的重要依据.针对飞行器实时飞行过程中存在各种误差因素影响规划轨迹性能的情况,设计卡尔曼滤波器在实时轨迹规划中对所获取的飞行器高度值进行修正,可以获得比较精确的离地高度信息提供给飞行器,从而增加飞行器的安全系数.建立系统的状态与观测数学模型,在给定初始值和噪声方差阵的情况下进行了仿真.仿真结果显示所设计的卡尔曼滤波器可行,大大减小了组合导航系统误差模型的作用效果.     

一种空间曲线轨迹跟踪的无人机自适应导航控制算法

随着固定翼无人机飞行任务复杂化,为了实现高精度的空间曲线导航控制,基于L1-Navigation非线性导航控制算法,设计自适应模糊控制器优化固定翼无人机跟踪空间曲线导航控制方法。以球面上的空间八字曲线为例,对八字曲线建模,通过坐标转换求得目标航点位置来计算无人机飞行加速度。为了优化加速度控制无人机跟踪空间曲线性能,在L1-Navigation导航控制器中,针对增益系数设计一个双输入单输出模糊控制系统,以轨迹误差和轨迹误差变化率为输入量,以计算横向加速度的增益系数常数为输出量。最后,在Ardupilot飞控中进行飞行模拟实验,飞行实验表明,所提出方法能够精确跟踪空间曲线路径,并且有很好的自适应性。     

基于AFKF的多旋翼无人机组合导航技术研究

目前旋翼无人机组合导航系统大都使用扩展卡尔曼滤波算法,然而由于导航系统建模误差和传感器测量精度的影响,导航信息解算误差较大。为了改善旋翼无人机的飞行控制效果,应用自适应渐消卡尔曼滤波（Adaptive fading Kalman filter,AFKF）进行旋翼无人机组合导航解算,算法通过实时计算遗忘因子,对过去的数据权重进行削减,以提高扩展卡尔曼滤波算法的自适应能力。应用旋翼无人机真实飞行数据进行仿真,仿真结果表明,自适应渐消卡尔曼滤波算法能够有效抑制建模误差,弥补传感器测量精度不足,改善旋翼无人机组合导航解算结果。     

基于Web墨卡托投影的导航电子地图设计

针对目前无人机地面测控站导航模块的局限,提出了基于Web墨卡托投影原理的导航电子地图的设计方案,使用ImageStone类库简化了电子地图的制作,并实现了电子地图的绘制、平移及缩放功能；在此基础上完成了航迹规划、实际飞行航线的实时显示以及航线保存等功能,大大提高了地面站的导航地图与导航信息融合显示的实时性；经过无人机仿真系统的测试,验证了方案设计的合理性和可行性,该导航电子地图能够高效、准确地完成各项导航任务。     

基于粒子滤波的无人机自主轨迹视觉导航控制方法研究

针对现有无人机导航控制方法存在的控制效果不佳的问题,本文提出一种基于粒子滤波的无人机自主轨迹视觉导航控制方法研究。利用粒子滤波算法,实现对无人机自主轨迹视觉导航控制方法的优化设计。采用栅格法构建无人机飞行环境地图,根据无人机的机械组成结构和工作原理,构建运动状态模型。利用内置的摄像机设备采集视觉图像,执行图像灰度转换、几何校正、滤波等预处理步骤。通过对视觉图像的特征提取,判断当前环境是否存在障碍物。利用粒子滤波算法确定无人机位姿,结合障碍物识别结果规划无人机的自主飞行轨迹。将位置、速度和姿态角的控制量计算结果,输入到安装的导航控制器中,完成无人机的自主轨迹视觉导航控制任务。通过实测分析得出结论：应用设计的导航控制方法,其位置误差、速度误差以及姿态角误差均维持在预设值以下,即设计的导航控制方法具有良好的控制效果。