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雷场探测无人机地形跟随飞行的高度融合与控制方法研究

雷场探测无人机地形跟随飞行的高度融合与控制方法研究

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作者：张磊湖南科技大学

学位级别：硕士

雷场曾是主战场的前沿阵地,因其危险性而长期荒废闲置,大多生长着茂密的植被且地形结构复杂,这给雷场探测工作带来了很大的难度。随着雷场探测技术的不断进步以及无人机控制技术的飞速发展,以无人机为应用平台搭载探测系统开展雷场探测... 详细信息

雷场曾是主战场的前沿阵地,因其危险性而长期荒废闲置,大多生长着茂密的植被且地形结构复杂,这给雷场探测工作带来了很大的难度。随着雷场探测技术的不断进步以及无人机控制技术的飞速发展,以无人机为应用平台搭载探测系统开展雷场探测任务的方式逐渐成为一种新的研究方向。在雷场探测飞行中,为实现雷场目标的可靠探测、准确识别和精确定位,根据雷场探测技术原理的需要,探测无人机需与探测区域地形保持恒定高度飞行,这对无人机地形跟随飞行中相关高度的测量、融合、控制技术提出了更高的要求。本文结合雷场探测中对地形跟随飞行技术的实际需求,以雷场探测无人机为研究对象,研究了地形跟随飞行中高度融合及控制方法的若干理论与技术问题。主要研究内容如下:(1)为满足雷场探测中对飞行平台的实际需求,设计了雷场探测无人机的硬件平台与软件系统;针对地形跟随飞行过程中由于雷场地形结构复杂、大量茂密植被覆盖引起的单个传感器易受干扰、可靠性差的问题,设计了由超声波传感器、毫米波雷达、气压传感器、RTK移动站组成的多传感器高度测量模块,为后续高度融合与控制方法研究奠定了硬件基础。(2)为提高地形跟随飞行中高度融合的精度和实时性,结合传感器的测量特性以及雷场中高度测量问题的分析,研究了一种多传感器高度融合方法。首先对传感器检测值进行可信度评估并完成检测值融合,排除故障性误差影响;然后结合姿态角、速度、加速度、初始测量偏差等信息对传感器测量值进行修正与对齐处理,提升数据的准确性;最后采用基于测量支持度的多传感器高度融合算法得到无人机飞行高度及地形高度。经仿真验证与分析,该方法在提升融合精度、实时性及可靠性方面具有优良性能,为地形跟随飞行中高度控制提供了精确的反馈数据。(3)针对地形跟随飞行中因地形变化突兀及风扰动引起的高度控制精度低、实时性差、抗干扰能力差的问题,研究了一种将复合控制、模糊控制、改进的ADRC相结合的高度控制策略,通过基于复合控制的高度控制算法解决因地形变化突兀引起的控制响应滞后问题,采用基于自适应b参数的ADRC速度控制算法,结合风速估计来自适应调节扰动补偿参数b,提高ADRC的扰动补偿精度。仿真结果表明,该方法可有效提升地形跟随飞行中高度控制的实时性、控制精度、抗干扰能力。为验证高度测量模块的可行性及高度融合与控制方法的有效性,设计并开展了基于雷场探测的地形跟随飞行实验,结果表明:本文所研究方法的高度融合误差与高度控制误差均稳定保持在0.10m以内,达到了雷场探测中对地形跟随飞行的精度要求。

关键词：雷场探测无人机地形跟随高度测量模块多传感器高度融合 ADRC

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