【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及一種內(nèi)嵌無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的偏振/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方法，利用偏振傳感器和無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型增強(qiáng)了對(duì)慣導(dǎo)姿態(tài)及位置誤差的約束，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人機(jī)推力系數(shù)誤差的在線估計(jì)與修正，提高了偏振/動(dòng)力學(xué)/慣導(dǎo)的組合導(dǎo)航精度，為衛(wèi)星拒止環(huán)境下無(wú)人機(jī)的自主定姿與定位提供了一種有效技術(shù)手段。
技術(shù)介紹
1、隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其在人類生活各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)了不可替代的作用，已經(jīng)成為國(guó)防、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域的重要裝備。無(wú)人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)，可為其提供位置、姿態(tài)等信息。目前，無(wú)人機(jī)最常用的導(dǎo)航方式仍以慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航為主。然而，在干擾拒止環(huán)境下，衛(wèi)星導(dǎo)航性能衰減，慣性導(dǎo)航累積誤差得不到有效修正，嚴(yán)重影響無(wú)人機(jī)的工作效能。因此，如何在衛(wèi)星信號(hào)拒止條件下提高無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航精度亟待開(kāi)展研究。
2、帝王蝶、沙蟻等生物能夠利用偏振光來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航，為解決衛(wèi)星信號(hào)拒止條件下無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航難題提供了思路。專利“一種機(jī)載式慣性/偏振光/光流/視覺(jué)組合導(dǎo)航裝置”(申請(qǐng)?zhí)枺篶n202123204111.9)使用慣性/偏振光/光流/視覺(jué)組合導(dǎo)航解決無(wú)人機(jī)導(dǎo)航精度較差的問(wèn)題。專利“一種基于視覺(jué)慣性偏振光融合的無(wú)人機(jī)位姿估計(jì)方法”(申請(qǐng)?zhí)枺篶n202010623718.1)利用基于視覺(jué)慣性偏振光融合的無(wú)人機(jī)位姿估計(jì)方法，來(lái)克服無(wú)人機(jī)位姿估計(jì)時(shí)航向誤差隨時(shí)間積累的缺陷。上述專利雖然取得了一定的效果，但是偏振光主要用于修正慣導(dǎo)的航向累積誤差，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)位置誤差的有效修正。因此如何在衛(wèi)星信號(hào)拒止條件下提高無(wú)人機(jī)的定位精度亟待
3、為提高衛(wèi)星信號(hào)拒止條件下無(wú)人機(jī)的定位精度，許多研究人員在內(nèi)嵌動(dòng)力學(xué)模型的導(dǎo)航方式上展開(kāi)了大量研究。專利“一種四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型/機(jī)載傳感器組合導(dǎo)航方法”(申請(qǐng)?zhí)枺篶n201810244190.x)在考慮動(dòng)力學(xué)模型輔助的基礎(chǔ)上使用衛(wèi)星/地磁/轉(zhuǎn)速傳感器組合導(dǎo)航方式實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的組合導(dǎo)航。專利“一種基于動(dòng)力學(xué)模型輔助的組合導(dǎo)航定位方法”(申請(qǐng)?zhí)枺篶n202010410189.7)在考慮動(dòng)力學(xué)模型輔助的基礎(chǔ)上使用衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航方式實(shí)現(xiàn)水下自主潛器的導(dǎo)航定位。上述方法僅將無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型作為量測(cè)輔助修正慣導(dǎo)，并未考慮對(duì)無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的修正。在實(shí)際環(huán)境中，無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型存在參數(shù)誤差，影響動(dòng)力學(xué)模型對(duì)姿態(tài)、速度和位置的遞推精度。因此，如何將偏振導(dǎo)航與無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合，在修正慣導(dǎo)累積誤差的同時(shí)，利用偏振傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)的估計(jì)與補(bǔ)償，提高動(dòng)力學(xué)模型的精度，進(jìn)一步增強(qiáng)偏振/動(dòng)力學(xué)對(duì)慣導(dǎo)誤差的約束，實(shí)現(xiàn)三者信息的有效融合。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決上述問(wèn)題，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提出一種內(nèi)嵌無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的偏振/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方法，將無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的三維姿態(tài)誤差角、速度誤差、位置誤差、角速度誤差和推力系數(shù)誤差作為狀態(tài)量擴(kuò)維到慣導(dǎo)狀態(tài)參數(shù)中構(gòu)成系統(tǒng)狀態(tài)量，并建立系統(tǒng)狀態(tài)方程。將偏振傳感器解算的航向角、無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的姿態(tài)、速度和位置作為量測(cè)量，建立系統(tǒng)量測(cè)方程。基于航向角新息建立偏振航向量測(cè)的可信度判別函數(shù)，設(shè)計(jì)組合導(dǎo)航模式切換及推力系數(shù)誤差反饋策略。最后，使用卡爾曼濾波方法對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)量即慣導(dǎo)姿態(tài)失準(zhǔn)角、速度誤差、位置誤差與無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的姿態(tài)誤差角、速度誤差、位置誤差和推力系數(shù)誤差進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)姿態(tài)和位置的修正。
2、本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案是：一種內(nèi)嵌無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的偏振/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
3、步驟(1)、將無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的三維姿態(tài)誤差角δθudm＝[δγ,δα,δψ]、速度誤差位置誤差δpudm＝[δludmδλudmδhudm]、角速度誤差δωudm＝[δωxδωyδωz]和推力系數(shù)誤差δkf作為狀態(tài)量擴(kuò)維到慣導(dǎo)狀態(tài)參數(shù)中，構(gòu)成系統(tǒng)狀態(tài)量x＝[xins?xudm]t。其中xudm＝[δθudmδvudmδpudmδωudmδkf]，φins＝[φxφyφz]、δpins＝[δlinsδλinsδhins]、ε＝[εxεyεz]和分別為慣導(dǎo)的三維姿態(tài)失準(zhǔn)角、速度誤差、位置誤差、陀螺儀漂移和加速度計(jì)漂移，建立濾波器的狀態(tài)方程其中f(x)表示與x相關(guān)的狀態(tài)方程。
4、步驟(2)、基于偏振傳感器解算得到無(wú)人機(jī)的航向角ψpol，將ψpol作為量測(cè)建立與慣導(dǎo)航向失準(zhǔn)角φz相關(guān)的量測(cè)方程z1＝h1x，將ψpol作為量測(cè)建立與動(dòng)力學(xué)模型航向角誤差δψ、推力系數(shù)誤差δkf相關(guān)的量測(cè)方程z2＝h2x，將無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的姿態(tài)角θudm＝[γαψ]t、速度和位置pudm＝[ludmλudm?hudm]t作為量測(cè)，建立與無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型三維姿態(tài)誤差角、速度誤差、位置誤差和慣導(dǎo)三維姿態(tài)失準(zhǔn)角、速度誤差、位置誤差相關(guān)的量測(cè)方程z3＝h3x。最后建立系統(tǒng)的量測(cè)方程z＝[z1?z2?z3]t＝hx，其中h表示系統(tǒng)量測(cè)矩陣。
5、步驟(3)、基于步驟(1)和步驟(2)的系統(tǒng)狀態(tài)方程和量測(cè)方程，計(jì)算偏振傳感器的航向角新息δψpol。利用航向角新息設(shè)計(jì)偏振航向量測(cè)的可信度判別函數(shù)p(δψpol)。當(dāng)p(δψpol)滿足設(shè)定的閾值條件時(shí)，按照步驟(2)建立系統(tǒng)的量測(cè)方程z＝[z1?z2?z3]t＝hx，并實(shí)時(shí)反饋推力系數(shù)誤差δkf修正無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。當(dāng)p(δψpol)不滿足閾值條件時(shí)，將z3＝h3x作為系統(tǒng)的量測(cè)方程,并將p(δψpol)滿足閾值條件時(shí)最后時(shí)刻估計(jì)的δkf反饋修正無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。
6、步驟(4)、結(jié)合步驟(1)、步驟(2)和步驟(3)，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)方程和量測(cè)方程的特點(diǎn)，使用卡爾曼濾波方法對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)量即慣導(dǎo)姿態(tài)失準(zhǔn)角、速度誤差、位置誤差與無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的姿態(tài)誤差角、速度誤差、位置誤差、推力系數(shù)誤差進(jìn)行估計(jì)。同時(shí)，通過(guò)反饋補(bǔ)償推力系數(shù)誤差，提高無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型精度，進(jìn)一步提升無(wú)人機(jī)的組合導(dǎo)航性能。
7、進(jìn)一步的，所述步驟(1)中將無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的三維姿態(tài)誤差角δθudm＝[δγ,δα,δψ]、速度誤差位置誤差δpudm＝[δludmδλudmδhudm]、角速度誤差δωudm＝[δωxδωyδωz]和推力系數(shù)誤差δkf作為狀態(tài)量擴(kuò)維到慣導(dǎo)狀態(tài)參數(shù)中，構(gòu)成系統(tǒng)狀態(tài)量x＝[xins?xudm]t。其中xudm＝[δθudmδvudmδpudmδωudmδkf]，φins＝[φxφyφz]、δpins＝[δlinsδλinsδhins]、ε＝[εxεyεz]和分別為慣導(dǎo)的三維姿態(tài)失準(zhǔn)角、速度誤差、位置誤差、陀螺儀漂移和加速度計(jì)漂移，建立濾波器的狀態(tài)方程其中f(x)表示與x相關(guān)的狀態(tài)方程，具體過(guò)程如下：
8、慣導(dǎo)的誤差狀態(tài)量可表示為
9、
10、其中φx，φy和φz為慣導(dǎo)的三維姿態(tài)失準(zhǔn)角，和為導(dǎo)航坐標(biāo)系下慣導(dǎo)的東向，北向以及天向速度誤差，δlins，δλins和δhins分別為緯度誤差，經(jīng)度誤差和高度誤差，εx，εy和εz為陀螺儀三軸漂移，和為加速度計(jì)三軸漂移。
11、無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的誤差狀態(tài)量可表示為
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【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種內(nèi)嵌無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的偏振/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)嵌無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的偏振/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方法，其特征在于：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)嵌無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的偏振/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方法，其特征在于：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)嵌無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的偏振/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方法，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)嵌無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的偏振/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方法，其特征在于：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種內(nèi)嵌無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的偏振/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)嵌無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的偏振/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方法，其特征在于：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)嵌無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉鑫，白宇，李文碩，余翔，郭雷，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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