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1、小型固定翼无人机飞行姿态检测及控制小型固定翼无人机飞行姿态检测及控制研究研究 一、研究目的和意义 二、国内外研究现状 三、课题主要研究内容 四、课题进度安排 五、预期达到的效果报告框架 目的目的：在基于在基于ArduinoArduino平台的平台的APMAPM基础板上，基础板上，通过研究无迹卡尔曼滤波器在多传感器信息通过研究无迹卡尔曼滤波器在多传感器信息融合的应用来提升小型固定翼无人机姿态估融合的应用来提升小型固定翼无人机姿态估测的性能与可靠度，进而自行设计改造一个测的性能与可靠度，进而自行设计改造一个基础的自动驾驶仪硬件板，同时设计最优化基础的自动驾驶仪硬件板，同时设计最优化的控制方法，最后
2、在小型固定翼无人机上成的控制方法，最后在小型固定翼无人机上成功的运行，为小型无人机的后续更深入研究功的运行，为小型无人机的后续更深入研究奠定基础。奠定基础。 小型无人飞机因小型无人飞机因其体积小、灵活其体积小、灵活性高、制作成本性高、制作成本低等优点已经成低等优点已经成为了目前比较热为了目前比较热门的研究方向。门的研究方向。 本课题是基于本课题是基于ArduPilotMegaArduPilotMega(APM)(APM)开源自驾开源自驾仪的小型固定翼仪的小型固定翼无人机研究。无人机研究。 意义意义：当前较成熟的小型无人飞机基本都是当前较成熟的小型无人飞机基本都是国外产品，通常其价格昂贵，且核心
3、技术保密。国外产品，通常其价格昂贵，且核心技术保密。本课题本着低成本、高效率等前提，对于国内本课题本着低成本、高效率等前提，对于国内小型无人机未来的大规模化应用生产和普及具小型无人机未来的大规模化应用生产和普及具有重要的推进意义。有重要的推进意义。 一、研究目的和意义 二、国内外研究现状国外研究现状 自自19171917年英国研制出世界上第一架无人机，无年英国研制出世界上第一架无人机，无人机经历了无人靶机、预编程控制无人机、指令遥人机经历了无人靶机、预编程控制无人机、指令遥控无人机和复合控制的多用途无人机的发展过程。控无人机和复合控制的多用途无人机的发展过程。无人机在越南战争，中东战争，海湾战
4、争和科索沃无人机在越南战争，中东战争，海湾战争和科索沃战争中，都卓有成效地执行了多种军事任务。这受战争中，都卓有成效地执行了多种军事任务。这受到各国的青睐，为其发展提供了强大动力。到各国的青睐，为其发展提供了强大动力。 随着各国在军事方面的需求与电子技术和航空随着各国在军事方面的需求与电子技术和航空航天技术的迅猛发展，促使世界无人机的发展进入航天技术的迅猛发展，促使世界无人机的发展进入了一个全新的时代并在了一个全新的时代并在2020世纪末形成了三次发展浪世纪末形成了三次发展浪潮：潮：第一个浪潮是在海湾战争之后师级战术无人机系统的发展第一个浪潮是在海湾战争之后师级战术无人机系统的发展。第二个浪潮
5、是中高空长航时无人机的研制第二个浪潮是中高空长航时无人机的研制。第三个浪潮是固定翼和旋翼旅第三个浪潮是固定翼和旋翼旅/ /团级战术无人机系统的出现团级战术无人机系统的出现。代表机型主要有以色列的代表机型主要有以色列的“侦察兵侦察兵”(Seout)(Seout)、“先锋先锋”(Pioneer)(Pioneer)、“搜索者搜索者”(Seareher)(Seareher)，美国的，美国的“猎人猎人”(Hunter)(Hunter)、“先驱先驱者者”(Outrider)(Outrider)，法国的，法国的“玛尔特玛尔特”(Mart)(Mart)、“红华红华”(CreCerelle)(CreCerell
6、e)，德国的布雷维尔德国的布雷维尔(Brevel)(Brevel)，加拿大的，加拿大的CL-289CL-289，英国的，英国的“不死不死鸟鸟”(Phoenix)(Phoenix)等。等。代表机型主要有美国的代表机型主要有美国的“捕食者捕食者”(Predator)(Predator)、“全球鹰全球鹰”(Global (Global Hawk)Hawk)、“暗星暗星”(Darkstar)(Darkstar)；以色列的；以色列的“苍鹭苍鹭”(Heron)(Heron)、赫尔姆、赫尔姆斯斯(Hemes)(Hemes)以及法国的以及法国的“鹰鹰”(Eagle)(Eagle)、“萨若海尔萨若海尔”(Sar
7、ohale)(Sarohale)等。等。代表机型主要有美国的代表机型主要有美国的“影子影子”(Shadow)(Shadow)、“火线侦察兵火线侦察兵”(FireSeout)(FireSeout)以以及奥地利的及奥地利的“坎姆考普特坎姆考普特”(Cameopter)(Cameopter)。在这个阶段主要是研究近程。在这个阶段主要是研究近程战术无人机，供旅级部队实施战术观察、侦察、战场打击效果评估战术无人机，供旅级部队实施战术观察、侦察、战场打击效果评估及炮火校准任务，还可以执行电子战、无线电中继、气象观测及检及炮火校准任务，还可以执行电子战、无线电中继、气象观测及检查化学武器等。查化学武器等。
8、二、国内外研究现状国内研究现状 我国对无人机的研究我国对无人机的研究开始于开始于6060年代年代，起初主要是小型靶机和民，起初主要是小型靶机和民用无人机。用无人机。19721972年，开始无人机的系统性研究工作年，开始无人机的系统性研究工作。从事研究的。从事研究的机构以高校和研究所为主。近年研制的通用小型无人机，机载任务机构以高校和研究所为主。近年研制的通用小型无人机，机载任务设备包括摄像机、照相机、红外、电子干扰、电子侦察设备等，有设备包括摄像机、照相机、红外、电子干扰、电子侦察设备等，有的已经运用在军事上。随着我国自行研制的无人机种类越来越多，的已经运用在军事上。随着我国自行研制的无人机种
9、类越来越多，其性能也将越来越先进。其性能也将越来越先进。但是目前一些先进的核心技术和算法仍然但是目前一些先进的核心技术和算法仍然掌握在一些发达国家手里掌握在一些发达国家手里，要打破这种局面，我国必须拥有独立自，要打破这种局面，我国必须拥有独立自主的发展理念，加大在这一领域的投入。主的发展理念，加大在这一领域的投入。 从某种意义上讲，我国的无人机研究，目前还处于一个起步阶从某种意义上讲，我国的无人机研究，目前还处于一个起步阶段，对于无人机的研究主要是基于技术上的创新以及成本上的降低。段，对于无人机的研究主要是基于技术上的创新以及成本上的降低。无人机作为自动化导航技术应用的一个高端产品，代表了自动
10、化导无人机作为自动化导航技术应用的一个高端产品，代表了自动化导航技术及其应用的发展前沿。开展无人机技术的研究，无疑具有十航技术及其应用的发展前沿。开展无人机技术的研究，无疑具有十分重要的应用价值和学术意义。分重要的应用价值和学术意义。 三、课题主要研究内容建立本课题所研究的小型固定翼无人机的相关数学模型。建立本课题所研究的小型固定翼无人机的相关数学模型。研究分析三种无人机姿态解算方法（即研究分析三种无人机姿态解算方法（即方向余弦法方向余弦法、欧拉角欧拉角法法和和四元数法四元数法）相对本课题所研究小微型固定翼无人机的各）相对本课题所研究小微型固定翼无人机的各自特点，并找出适合的表示方法。自特点，
11、并找出适合的表示方法。为了提升姿态的精度和可靠度，改善低成本惯性测量系统的为了提升姿态的精度和可靠度，改善低成本惯性测量系统的精度容易受引擎震动、陀螺仪漂移等的影响，研究不同的感精度容易受引擎震动、陀螺仪漂移等的影响，研究不同的感测器融合算法以找出适用于测器融合算法以找出适用于UAVUAV的姿态估计方法。初步打算的姿态估计方法。初步打算研究研究基于扩展卡尔曼滤波器（基于扩展卡尔曼滤波器（EFKEFK）和和无迹卡尔曼滤波器无迹卡尔曼滤波器（UKFUKF）的姿态融合算法的姿态融合算法。并通过并通过MatlabMatlab仿真仿真比较两种算法比较两种算法的工作性能，以找出适合的姿态融合算法，并进一步
12、对其优的工作性能，以找出适合的姿态融合算法，并进一步对其优化处理。化处理。 三、课题主要研究内容研究小型固定翼无人机的自动化控制算法。针对其特有的小研究小型固定翼无人机的自动化控制算法。针对其特有的小体积、低功耗等特点，设计飞行器内环增稳控制器、以及横体积、低功耗等特点，设计飞行器内环增稳控制器、以及横纵向解耦控制器。在提高飞行稳定性的同时，满足对于设定纵向解耦控制器。在提高飞行稳定性的同时，满足对于设定航线的较好追踪。航线的较好追踪。 进行自动驾驶仪主控制模块、姿态采集模块、传感器模块、进行自动驾驶仪主控制模块、姿态采集模块、传感器模块、舵机控制、地面站等必要的实验调试和飞行测试。舵机控制、
13、地面站等必要的实验调试和飞行测试。 1. 建立小型固定翼无人机的相关数学模型 由于不同的无人机其运动特性不同，运动特性不同其飞机控由于不同的无人机其运动特性不同，运动特性不同其飞机控制制结构和控制率参数也不同。本课题将根据小型固定翼无人机的结结构和控制率参数也不同。本课题将根据小型固定翼无人机的结构参数、气动布局和发动机性能等建立相对应的数学模型。构参数、气动布局和发动机性能等建立相对应的数学模型。结构参数结构参数气动布局气动布局发动机性能及其它条件发动机性能及其它条件数学模型数学模型 2. 三种无人机姿态估计解算法四元数法四元数法欧拉角法欧拉角法方向余弦法方向余弦法其比较其比较9 9个变量，
14、计算时个变量，计算时间较长。间较长。3 3个变量，可能会产个变量，可能会产生奇异性，但是表示生奇异性，但是表示直观，容易理解。直观，容易理解。4 4个变量，能够避免个变量，能够避免欧拉角的奇异性，且欧拉角的奇异性，且适合数值运算。适合数值运算。 无人机姿态估计解算法无人机姿态估计解算法主要有三种：方向余弦法、主要有三种：方向余弦法、欧拉角法、四元数法。欧拉角法、四元数法。3.基于扩展卡尔曼滤波器（EFK）和无迹卡 尔曼滤波器（UKF）的姿态融合算法 EKF是传统非线性估计的代表，其基本思想是围绕状态估计是传统非线性估计的代表，其基本思想是围绕状态估计值对非线性模型进行一阶的值对非线性模型进行一
15、阶的Taylor展开，然后应用线性系统展开，然后应用线性系统Kalman滤波。滤波。EKFEKF只适合弱非线性系统，对于强只适合弱非线性系统，对于强非线性系统假设不成立，此时非线性系统假设不成立，此时EKFEKF滤波性能极不稳定，甚至发散。滤波性能极不稳定，甚至发散。必须计算必须计算JacobinJacobin矩阵及其幂，计算矩阵及其幂，计算复杂，容易出错。复杂，容易出错。主要缺陷3.基于扩展卡尔曼滤波器（EFK）和无迹卡 尔曼滤波器（UKF）的姿态融合算法 UKF是一种典型的非线性变换估计，在施加非线性变换后，是一种典型的非线性变换估计，在施加非线性变换后，仍采用标准仍采用标准Kalman滤
16、波。其核心是通过一种非线性变换滤波。其核心是通过一种非线性变换-U变换变换来进行非线性模型的状态与误差协方差的递推和更新。来进行非线性模型的状态与误差协方差的递推和更新。无需对系统模型进行线性化处理，无需对系统模型进行线性化处理，避免了线性化带来的误差，提高了避免了线性化带来的误差，提高了滤波器的状态估计精度。滤波器的状态估计精度。无需求解无需求解JacobinJacobin矩阵，缩短了滤波矩阵，缩短了滤波的状态估计时间。的状态估计时间。主要优点3.基于扩展卡尔曼滤波器（EFK）和无迹卡 尔曼滤波器（UKF）的姿态融合算法初值的选取初值的选取非线性传递误差对滤波器的非线性传递误差对滤波器的影响影响影响影响UKF精度的主精度的主要方面要方面模型误差与滤波器的性能模型误差与滤波器的性能 本课题本课题初步决定对其初值的选取进行相关研究，初步决定对其初值的选取进行相关研究，以以此提高此提高UKF在小型固定翼无人机姿态估计的精度和可在小型固定翼无人机姿态估计的精度和可信度。信度。 4. 小型固定翼无人机的自动化控制算法 无人机飞行控制系统是整个无人机的控制无人机飞行控制系统是整个无人机的控制 中
