【摘要】：與人類相同,自然界中絕大部分生物都需要解決導(dǎo)航問題。在漫長的進(jìn)化過程中,幾乎所有動(dòng)物都進(jìn)化出必要的導(dǎo)航能力,比如通過敏感偏振分布模式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航測(cè)向就是其中之一。本文基于天空光的偏振分布模式實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的導(dǎo)航定姿,通過結(jié)合最優(yōu)化理論和混合濾波模型設(shè)計(jì)新型航姿求解方法,為無人機(jī)導(dǎo)航控制提供新的解決方案。本文從分析導(dǎo)航系統(tǒng)航姿求解的基本數(shù)學(xué)模型入手,建立導(dǎo)航系統(tǒng)常用坐標(biāo)系,并通過比較不同姿態(tài)描述方法的優(yōu)勢(shì)和不足,確定將四元數(shù)作為本文姿態(tài)解算的數(shù)學(xué)依據(jù),并詳細(xì)分析了偏振光傳感器的導(dǎo)航定向原理,同時(shí)理論推導(dǎo)了一種基于雙偏振矢量的全姿態(tài)信息快速獲取方法。為驗(yàn)證偏振光數(shù)據(jù)融合算法的可靠性和準(zhǔn)確性,本文設(shè)計(jì)了偏振光導(dǎo)航無人機(jī)航姿測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái),詳細(xì)介紹了偏振光導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件及軟件解決方案,并在飛行實(shí)驗(yàn)開展前期,利用精密旋轉(zhuǎn)定位臺(tái)進(jìn)行偏振光傳感器航向量程擴(kuò)展方法有效性驗(yàn)證和飛控系統(tǒng)性能測(cè)試。之后開展的自主飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,飛控系統(tǒng)中的參考算法控制精度能夠滿足需求,可以為后續(xù)偏振光導(dǎo)航控制系統(tǒng)提供航姿參考標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)現(xiàn)有偏振光導(dǎo)航控制算法定姿精度不高的問題,本文以四元數(shù)法和梯度優(yōu)化理論為基礎(chǔ),利用偏振矢量場和重力矢量場設(shè)計(jì)航姿求解的動(dòng)態(tài)步長梯度優(yōu)化方法,并通過建立目標(biāo)誤差函數(shù)模型求解最優(yōu)姿態(tài)四元數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法不僅保證了求解姿態(tài)的靜態(tài)穩(wěn)定性,而且在動(dòng)態(tài)情況下的航姿解算精度高于固定步長梯度方法,表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)性能。為有效平衡姿態(tài)解算的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性,本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于梯度優(yōu)化的混合濾波模型。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該模型能夠有效消除傳感器內(nèi)部噪聲干擾,使得靜態(tài)定姿精度進(jìn)一步提高;同時(shí)在動(dòng)態(tài)情況下,混合濾波方法克服了單獨(dú)使用梯度優(yōu)化方法時(shí)姿態(tài)估計(jì)超調(diào)的問題,表現(xiàn)出更好的跟蹤效果和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。針對(duì)無人機(jī)經(jīng)常處于機(jī)動(dòng)環(huán)境下飛行的特點(diǎn),本文提出一種抑制運(yùn)動(dòng)加速度干擾的混合濾波自適應(yīng)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠有效抑制有害加速度的干擾,在保證姿態(tài)解算準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上,有效提高了偏振光導(dǎo)航系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和魯棒性。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V279;V249

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本文編號(hào)：2748017