基于惯性测量单元的飞机舵面偏角外部测量方法研究

作     者：牛浩然 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方强;韩冰

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：舵面偏角测量 惯性测量单元 容积卡尔曼滤波 轴角计算 

摘      要：飞机舵面是控制飞机姿态和飞行方向的活动部件,对于飞机的安全性和飞行性能至关重要。舵面偏角的微小变化会对飞机姿态造成影响,因此在飞机总装阶段需要进行精确的外部测试,以保证舵面能够正确响应各种操纵指令。目前飞机总装阶段采用惯性传感器测量飞机舵面偏角,该方法存在传感器测量误差与安装误差,导致采集的角度数据不可靠,不能满足测试要求。针对上述问题,本文开展惯性测量单元姿态估计算法与舵面偏角计算方法的研究,并设计一套舵面偏角外部测量系统,实现对飞机舵面偏角的高精度外部测量。论文的主要研究内容如下:首先,针对敏感轴与水平面接近垂直时引起的传感器测量精度降低问题,提出一种基于容积卡尔曼滤波的姿态估计改进算法。该方法通过对加速度计输出数据进行可靠性判断,建立四个测量噪声矩阵,并将观测模型中的重力场与磁力场解耦合,实现传感器在敏感轴接近垂直时的高精度测量。通过实验对比四种算法的测量精度与计算效率,验证改进后的姿态估计算法的有效性,为计算舵面偏角提供有效的姿态信息。其次,针对由传感器安装误差引起舵面偏角的测量精度下降问题,提出一种基于增量四元数的舵面偏角计算方法。该方法以四元数与轴角对的变换关系为基础,建立适用于飞机各个舵面的单轴旋转运动模型。通过使用滑动窗口、随机采样一致性和平均滤波等方法,完成对舵面旋转轴的姿态估计,并采用阈值判断方法提高计算舵面偏角的鲁棒性。经实验验证,提出的轴角计算方法具有较好的动、静态性能。最后,设计舵面偏角测量系统的总体架构,确定设备组成、硬件选型与现场布局,分析软件功能需求,对主要功能模块进行设计与实现。对所开发的舵面偏角测量系统进行测试,结果显示系统测量旋转轴水平舵面偏角的最大误差为0.09°,测量方向舵偏角的最大误差为0.16°,能够满足飞机舵面偏角外部测量需求。