微小型无人直升机航姿融合和控制技术研究

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1、中图分类号：V249论文编号：102870315-S189学科分类号：081105硕士学位论文微小型无人直升机航姿融合和控制技术研究研究生姓名余彦霖学科、专业导航、制导与控制研究方向飞行控制技术指导教师祖家奎副研究员南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonAttitudeFusionandFlightControlTechnology

2、forMicro-UnmannedHelicopterAThesisinNavigationGuidanceandControlbyYuYanlinAdvisedbyZuJiakuiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空

3、航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要本文以微小型植保无人直升机为研究对象，针对其传感器配置，研究并对比了互补滤波算法和卡尔曼滤波算法在航姿融合中的应用方法和估值精度，并根据样例无人直升机特性，设计了无人直升机各通道基于操纵杆的控制律。从两个方面对其航姿融合技术以及控制技术进行了深入研究。微惯性传感器及其组合测量单元

4、在低成本无人直升机导航与控制系统中应用越来越广泛，然而采用微机械陀螺仪估计姿态存在因漂移带来的随机误差，采用加速度计估计姿态容易受到运动加速度的影响，针对以上问题，本文利用微机械陀螺、加速度计、磁力计进行了姿态融合算法的研究。首先用单一传感器估计姿态，对比其静态和动态特性，并针对不同传感器表现的特性，设计了基于四元数法的自适应互补滤波器融合航姿信号，在此基础上，利用卡尔曼滤波算法的最优估计原则，应用扩展卡尔曼滤波算法进行航姿信号的估计，并设计了自适应的协方差矩阵，减小估值误差。根据融合出的航姿信号以及其余传感器信号，本文设计了样例无人直升机悬

5、停/小速度段基于操纵杆的控制律。结合样例无人直升机植保的特殊应用，定义了其操纵杆的控制模式和飞行功能，提出了操纵杆速度指令的控制模式，根据其线性模型，对各通道进行了内外环的控制律设计，设计了包含悬停/小速度所有模态的小航线进行仿真和试飞验证。根据仿真结果和试飞数据，卡尔曼滤波算法能很好地融合陀螺仪、加速度计和磁强计的特性，得到高精度、高稳定性的航姿信号，将融合结果应用于本文所设计的控制律中，取得了良好的试飞效果，基于速度指令的杆控模式达到了设计需求，工程应用性强。关键词：微小型无人直升机，航姿融合，互补滤波，卡尔曼滤波，操纵杆控制，速度指令i

6、微小型无人直升机航姿融合和控制技术研究ABSTRACTBasedonthesensorplacementofsmall-scaleagriculturalunmannedhelicopter,thispaperdidsomeresearchoncomplementaryfilterandkalmanfilterintheapplicationofattitudefusion.Onthisbasis,thispaperdesignedthecontrollawbasedonjoystickofeachchannel.Theattitudefus

7、ionandjoystickcontroltechnologieswereintensivestudiedinthispaper.Theapplicationofmicro-inertialsensorsandmeasurementunitinnavigationandguidancesystembecomemoreandmorewidespread.However,becauseoftheexistenceofgyroscopedrift,whichcausedthecumulativeerror,andtheinfluenceofmovi

8、ngaccelerationcouplingwithgravityaccelerationbyutilizingaccelerometer.Tosolvethisp