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微小型飞行器中的数据采集与控制系统

仪器仪表学报 2003年第6期24卷 622-625页

作者：纪凡周兆英王晓浩吴怀宇朱荣清华大学精密仪器系北京100084

为探索微型飞行器的飞行控制规律 ,基于脉宽调制信号设计了一种专用的微型机载数据采集和输出控制系统。在微小尺寸和低功耗的前提下充分利用有限的硬件资源实现了对微型飞行器的多路飞行数据的实时采集和存储 ,同时按照要求对微小型飞... 详细信息

为探索微型飞行器的飞行控制规律 ,基于脉宽调制信号设计了一种专用的微型机载数据采集和输出控制系统。在微小尺寸和低功耗的前提下充分利用有限的硬件资源实现了对微型飞行器的多路飞行数据的实时采集和存储 ,同时按照要求对微小型飞行器进行了飞行控制。通过飞行试验。

关键词：微小型飞行器示教控制脉宽调制信号数据采集控制系统飞行控制

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微小型飞行器航向系统设计

机器人 2006年第6期28卷 647-650页

作者：王松王田苗李新军梁建宏北京航空航天大学机器人研究所北京100083 北京航空航天大学无人机研究所北京100083

从实用的角度出发,给出了微小型飞行器的航向系统(包括航向测量和航向控制)体系结构.设计了地磁航向、捷联航向、GPS航向等3种常用的航向测量手段在微小型系统中的实现方案,分析了其各自的优、缺点,提出了一种实用的、基于数据融合的航... 详细信息

从实用的角度出发,给出了微小型飞行器的航向系统(包括航向测量和航向控制)体系结构.设计了地磁航向、捷联航向、GPS航向等3种常用的航向测量手段在微小型系统中的实现方案,分析了其各自的优、缺点,提出了一种实用的、基于数据融合的航向获取方法.在航向测量的基础上,又设计了针对微小型飞行器的航向控制方案,并应用于某小型固定翼飞行器的飞行控制系统中.进行了自主飞行试验,取得了预期的试验效果.

关键词：微小型飞行器自主飞行航向测量航向控制数据融合

微小型飞行器惯性组合姿态确定与航路导航研究

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航空学报 2008年第B5期29卷 178-183页

作者：李荣冰刘建业赖际舟温佰仟南京航空航天大学自动化学院江苏南京210016

构建了微小型飞行器(MAV)导航、制导与控制(GNC)系统。研究了微惯性导航测量单元零偏的温度建模及非正交误差的多位置标定补偿方法,提出微小型飞行器导航、制导与控制系统闭环条件下,利用导航、制导与控制回路的飞行状态特征信息的微惯... 详细信息

构建了微小型飞行器(MAV)导航、制导与控制(GNC)系统。研究了微惯性导航测量单元零偏的温度建模及非正交误差的多位置标定补偿方法,提出微小型飞行器导航、制导与控制系统闭环条件下,利用导航、制导与控制回路的飞行状态特征信息的微惯性组合导航系统滤波算法,根据微小型飞行器飞行状态实时调整卡尔曼滤波器的观测噪声方差,有效提高了动态过程中姿态测量精度和微小型飞行器的飞行平稳度。完成了组合导航系统滤波算法验证飞行试验及自主姿态稳定和航路飞行试验。飞行试验表明:微小型飞行器实现了自主姿态稳定与长距离超视距航路点导航飞行,航路点导航误差小于30 m,惯性组合姿态确定与航路导航系统及算法满足微小型飞行器自主飞行对导航系统的需求。

关键词：微小型飞行器导航制导与控制姿态确定航路导航微惯性组合导航系统卡尔曼滤波

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微小型飞行器的神经网络动态逆控制方法

航空学报 2008年第B5期29卷 8-14页

作者：武国辉王正杰范宁军尚连北京理工大学宇航科学技术学院国家安全生产监督管理总局化学品登记中心山东青岛266071

微小型飞行器(MAV)精确的数学模型很难得到,限制了单纯动态逆控制方法的使用,比例-积分-微分(PID)等传统的控制方法已不能满足要求。针对这一问题,研究了应用动态逆控制方法的新途径──神经网络动态逆。选取串接积分器的多层前向神经... 详细信息

微小型飞行器(MAV)精确的数学模型很难得到,限制了单纯动态逆控制方法的使用,比例-积分-微分(PID)等传统的控制方法已不能满足要求。针对这一问题,研究了应用动态逆控制方法的新途径──神经网络动态逆。选取串接积分器的多层前向神经网络训练飞行控制系统的动态逆模型,并自适应补偿逆误差。用MATLAB的NNCTRL20工具箱并结合NNSYSID20工具箱建立了仿真系统。升降舵和方向舵联合控制转弯。用PID控制器、近似神经网络动态逆模块、在线神经网络补偿器构建了飞行控制系统。仿真结果表明,神经网络动态逆有较强的鲁棒性、稳定性和指令跟随能力,比PID更适合于微小型飞行器的姿态控制。

关键词：微小型飞行器飞行控制神经网络动态逆

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微小型飞行器目标自主追踪方法研究

航天控制 2017年第1期35卷 37-41,53页

作者：田晓春蔡熙许承东北京理工大学北京100089

针对微小型飞行器自主独立完成对运动目标实时动态追踪的问题,本文提出一种新型目标自主追踪方法。该方法基于欧拉法的改进方法预测—校正法预测运动目标实时运动状态和位置,而后采用比例导引和速度追踪的联合方法实现快速接近追踪目标... 详细信息

针对微小型飞行器自主独立完成对运动目标实时动态追踪的问题,本文提出一种新型目标自主追踪方法。该方法基于欧拉法的改进方法预测—校正法预测运动目标实时运动状态和位置,而后采用比例导引和速度追踪的联合方法实现快速接近追踪目标、精确调整运动状态及稳定跟踪目标3个步骤,完成运动目标的自主实时追踪。将其应用于目标追踪过程中,在仿真步长为0.25s时,算法追踪位置误差小于0.025m。可见利用这种新型方法能够有效实现对运动目标完全自主的实时稳定跟踪与探测。

关键词：微小型飞行器目标追踪三维比例导引法运动目标

非协同方式多微小型飞行器区域覆盖多目标的弹道建模与设计

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兵工学报 2016年第5期37卷 936-944页

作者：都业宏郁浩张军李杰徐兴建中国白城兵器试验中心吉林白城137001 北京理工大学机电学院北京100081

为提高微小型飞行器(MAV)群对作战目标侦察攻击的适应能力,建立多MAV非协同方式区域覆盖多目标问题模型。应用云模型模拟MAV的起飞点坐标值,应用蒙特卡洛方法模拟起飞方向角度值,建立与问题模型相关的目标区域模型、MAV探测模型、起飞... 详细信息

为提高微小型飞行器(MAV)群对作战目标侦察攻击的适应能力,建立多MAV非协同方式区域覆盖多目标问题模型。应用云模型模拟MAV的起飞点坐标值,应用蒙特卡洛方法模拟起飞方向角度值,建立与问题模型相关的目标区域模型、MAV探测模型、起飞点模型、初始飞行方向模型和弹道模型。为提高优化设计效率,在对期望覆盖率指标进行了稳定性分析的基础上,确定计算期望覆盖率的最小模拟次数。应用多目标遗传算法对建立的多目标问题模型进行了求解,得到了非协同方式条件下多MAV区域覆盖的弹道设计方案。从MAV的探测半径与目标区域半径的比例关系出发,对这些方案适于解决的问题进行了分析。该弹道降低了MAV控制难度,兼顾了覆盖率、MAV数量和航程3个目标。

关键词：兵器科学与技术非协同方式微小型飞行器区域覆盖弹道设计多目标优化

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微小型飞行器多传感器融合容积姿态估计

现代防御技术 2017年第3期45卷 34-39,92页

作者：石章松吴中红刘健傅冰海军工程大学电子工程学院湖北武汉430033

针对微机电系统(MEMs)陀螺仪精度低、噪声大且误差随时间累积的问题,扩展卡尔曼滤波(EKF)线性化误差的问题和无迹卡尔曼滤波(UKF)时间耗费大的问题,提出了一种欧拉角容积卡尔曼滤波(CKF)姿态估计方法。建立了欧拉角姿态运动学模型,以姿... 详细信息

针对微机电系统(MEMs)陀螺仪精度低、噪声大且误差随时间累积的问题,扩展卡尔曼滤波(EKF)线性化误差的问题和无迹卡尔曼滤波(UKF)时间耗费大的问题,提出了一种欧拉角容积卡尔曼滤波(CKF)姿态估计方法。建立了欧拉角姿态运动学模型,以姿态角为状态量、加速度计和磁强计输出解算得到的姿态角为观测量,采用容积数值积分理论来计算非线性函数的均值与方差,实现了多传感器辅助的微小型飞行器(MAVs)CKF姿态估计方法。仿真结果表明:估计精度方面,CKF与UKF相当,优于EKF;滤波稳定性方面,CKF与UKF相当,显著优于EKF;时间耗费方面,CKF优于UKF。

关键词：非线性滤波容积卡尔曼滤波欧拉角多传感器姿态估计微小型飞行器

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适于微小型飞行器平台的稳像算法

红外与激光工程 2012年第3期41卷 696-703页

作者：郭力昂海松郑祥明南京航空航天大学航空宇航学院江苏南京210016

为解决微小型飞行器由于机械振动、气流扰动等原因引起的图像高频抖动,设计了一种适用于该平台的稳像算法。采用基于生物视觉的匹配方法估计帧间运动矢量,建立了图像参数传递的数学模型;结合微小型飞行器的运动特点,提出了带约束的交互... 详细信息

为解决微小型飞行器由于机械振动、气流扰动等原因引起的图像高频抖动,设计了一种适用于该平台的稳像算法。采用基于生物视觉的匹配方法估计帧间运动矢量,建立了图像参数传递的数学模型;结合微小型飞行器的运动特点,提出了带约束的交互式多模型卡尔曼滤波方法(CIMMKF),针对绝对帧位移曲线和旋转角度滤波,引入硬约束条件减小模型不准确性产生的误差,再通过软约束平滑硬约束带来的局部跳变求得图像合适的校正量。最后,给出了一种新颖的微小型飞行器平台稳像算法性能的评估方法。实验结果表明,该稳像算法能够适应飞行器多种状态的交替改变,有效减小滤波延迟,去除高频抖动,保留主动运动,使稳定后图像质量满足观察要求,具有图像信息保留程度高、速度快的特点,尤其适用于微小型飞行器实时视频稳定。

关键词：视频稳定特征匹配交互式多模型卡尔曼滤波微小型飞行器

微小型飞行器激光雷达/光流/惯性自主导航方法

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微小型飞行器激光雷达/光流/惯性自主导航方法

作者：张竣涵南京航空航天大学

学位级别：硕士

目前,微小型飞行器的自主飞行对GPS的依赖性较高,GPS信号一旦受到干扰或者丢失,依靠GPS的机载导航系统就无法给微小型飞行器提供可靠精准的导航信息,这时飞行器便会失控而发生事故。所以在卫星拒止的情况下,飞行器的自主飞行需要依靠其... 详细信息

目前,微小型飞行器的自主飞行对GPS的依赖性较高,GPS信号一旦受到干扰或者丢失,依靠GPS的机载导航系统就无法给微小型飞行器提供可靠精准的导航信息,这时飞行器便会失控而发生事故。所以在卫星拒止的情况下,飞行器的自主飞行需要依靠其他传感器感知周围环境的变化来提供相对的定位信息。由昆虫视觉定位所启发的光流导航系统作为飞行器室内定位的主流方案,在近几年的研究中已逐步成熟。然而,在光照变化、载体大速度运动等特殊情况下仍然会存在定位失效的问题。激光雷达作为一种感知型传感器,因其测距精度高等特点被广泛运用于SLAM(同步定位与构图技术)中。激光雷达SLAM可以为飞行器提供精度较高的导航定位信息。本文主要针对微小型飞行器,以光流导航算法、激光雷达SLAM导航算法为基础,开展了微小型飞行器的光流、激光雷达以及惯性的多信息融合导航技术的研究和实现等工作。论文首先对光流、激光雷达SLAM算法原理以及它们在不同情况下的误差特性进行了研究与分析。对于光流算法,分析了其在光照变化以及载体大速度运动下的定位误差结果。对于激光雷达SLAM算法,分析了其在稀疏特征的环境以及载体大速度运动下的定位误差原因。为后续的算法改进及组合导航方法的研究提供了基础。为了提高光流算法在光照变化以及飞行器大速度运动下的抗干扰性能和定位精度,论文对卫星拒止下的光流导航算法作了改进与实现。在原有ORB LK金字塔光流算法的基础上,研究了基于图像分割、滤波预处理以及模板匹配辅助的光流导航算法。通过静态、动态实验证实了该方案在定位精度以及抗干扰性方面都比原有光流算法有显著提高。为了提高激光雷达导航算法在飞行器大速度运动和特征稀疏的环境下的定位精度和可靠性,论文开展了激光雷达/惯性组合导航技术的研究工作。首先研究了基于扩展卡尔曼滤波的激光雷达/惯性松组合算法,通过半物理实验方式验证了松组合方案的有效性。在此基础上,分析了激光雷达SLAM算法的优化迭代原理,提出了一种基于位姿迭代初值预测补偿的激光雷达/惯性传感器紧组合方法,利用惯性传感器辅助激光雷达SLAM的位姿解算过程。通过半物理实验验证,结果表明紧组合方案提升了组合导航系统的有效性和可靠性。为了提高飞行器自主导航系统的整体容错性能,论文研究了基于可重置联邦滤波的激光雷达/光流/惯性传感器的组合方法。利用卡方检测法对各子滤波器进行故障检测,并且在主滤波器进行故障隔离。根据以上的系统框架,论文搭建了基于微小型飞行器的激光雷达/光流/惯性传感器组合导航算法的实验验证平台。同时为了更好地对采集的数据进行离线处理与分析,本文采用了基于ROS机器人操作系统的软件开发平台。最后,将整个导航软件系统实现于“DJI M100”微小型飞行器开发平台上,通过旋翼飞行器试飞实验验证了激光雷达/光流/惯性传感器的组合导航方案的可靠性。实验结果表明本文所研究的方案可以有效提高微小型飞行器在卫星拒止环境下的自主导航精度和可靠性。相比于现有的光流与激光雷达SLAM定位方法,本文通过对导航系统定位方法误差特性的分析与改进,提高了这两种传感器在复杂环境下的定位精度。同时,不同于两种传感器在飞行器上的独立工作,本文将两者进行了容错组合导航,并应用于微小型飞行器,提高了整体导航系统的鲁棒性。

关键词：微小型飞行器激光雷达SLAM 光流导航组合导航卡尔曼滤波