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GPS在小型无人机导航定位中的应用研究幻灯片
GPS在小型无人机导航定位中的应用研究 答 辩 人: 方展辉 指导教师: 井元伟 教授 1.绪论 1.1 无人机及其导航技术 定义:无人机(UAV, Unmanned Air Vehicle)是一种有动力、可控制、能携带 多种载荷,执行多项任务,并可重复使用的无人驾驶飞行器。 导航技术:惯性导航、GPS导航、地形辅助导航、无线电导航、组合导航等 1.绪论 1.2 GPS全球定位系统发展现状 GPS作为美国新一代卫星导航系统,具有全球性、全能性、全天候、 连续和实时的导航定位功能。 3个发展阶段 2种定位服务 10维导航参数 1.绪论 1.3 课题研究的意义 1)坐标转换是导航算法的基石 2)导航系统在无人机姿态稳定与自主飞行中起关键作用 2.GPS全球定位系统原理 2.GPS全球定位系统原理 2.GPS全球定位系统原理 3.无人机GPS导航定位坐标转换算法研究 坐标转换是导航算法的基石。在组合导航中,GPS给出的位置 是WGS-84坐标,而实际的导航定位则是在北京-54系(或国家- 80系)下完成,为使GPS导航定位的结果与所采用的实际坐标 系相对应,须进行不同坐标系之间转换算法的研究。 3.无人机GPS导航定位坐标转换算法研究 3.1 GPS导航定位中的坐标转换算法 1)不同空间直角坐标系之间的转换算法 3.无人机GPS导航定位坐标转换算法研究 2)不同平面直角坐标系之间的转换算法 3.无人GPS导航定位坐标转换算法研究 3)高斯投影正算转换算法 3.无人机GPS导航定位坐标转换算法研究 3.2 简化的高斯投影正算转换算法 3.无人机GPS导航定位坐标转换算法研究 3.3 机载GPS导航定位坐标转换实验与结果分析 表3.1 两种投影算法下的坐标比较(单位:mm) 4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究 GPS和惯性导航系统各有优缺点,但在误差传播性能上正好是互 补的,前者长期稳定性好,短期稳定性差,而后者正好相反。因 此可采用组合导航技术将二者有机组合起来,以提高导航系统的 整体性能。 4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究 4.1 MIMU误差模型 设MIMU导航坐标系为东北天地理坐标系,速度误差为 , ,位置误差 为 , ,平台误差角为 ,陀螺漂移误差为 ,加速度计误差 为 ,下标 分别表示东、北、天,则可以给出MIMU误差模型,包 括位置误差方程、平台误差方程、速度误差方程和惯性仪表误差方程。 1)位置误差方程 4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究 2)平台误差方程 4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究 3)速度误差方程 4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究 4)惯性元件误差方程 4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究 4.2 MIMU误差仿真 按照上述建立的误差模型,对MIMU系统进行了仿真。部分仿真参数设置 如下:初始经度为123.4°,初始纬度为41.8°,初始速度为20m/s,航 向角为45°,姿态误差角为 , ,速度误差为 ,位 置误差为 ,陀螺一阶马尔科夫漂移为 ,加速度一 阶马尔科夫零偏为 ,仿真时间为120s。仿真曲线如图4.1~4.4 所示。 4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究 4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究 4.3 GPS/MIMU组合模式 本文所设计的GPS/MIMU组合系统,选择集中卡尔曼滤波算法,将组合状态 降维处理,采用位置/速度综合模式,通过间接法对导航参数进行输出校 正,以获得精确的导航参数。系统的原理方框图如图4.5所示。 4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究 4.4 GPS/MIMU组合系统数学模型 1)组合系统的状态方程: 其中, 为系统的状态矢量 为速度误差; 为捷联式姿态角计算误差; 为纬度、 经度误差; 为陀螺仪随机漂移误差; 为加速计随机偏 置误差。 为系统的噪声矢量 4.无人机GPS/MIMU组合系统研究 为系统的噪声矩阵: 为系统的状态矩阵: 4.无人机GPS/MIMU组合系统研究 2)组合系统量测方程 位置量测方程 速度量测方程 其中, 、 为MIMU输出的经度、纬度值; 、 为GPS输出的经度、纬度值; 、 为MIMU经度、纬
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