地效翼船组合导航及控制系统设计

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1、地效翼船的组合导航及控制系统设计摘要地效翼船(GroundEffectVehicle，亦称为地效飞行器、地效飞机)是一种利用地面效应原理，具有超低空飞行能力的特种飞行器。它介于飞机、舰船和气垫船之间，既可以离开水(或地)面又可贴近水(或地)面飞行。针对无人地效翼船的特点，本文研究了一种基于MEMS陀螺、加速度计、GPS等传感器与微型导航计算机(DSP)构成的微小型组合导航系统，并在此基础上设计了飞行控制系统。本文以小型无人地效翼船作为研究对象，详细介绍其数学建模、数据融合算法、姿态角最优估计以及飞行控制系统设计等，主要研究内容和成果如下

2、：首先根据地效翼船空气动力学原理，建立了地效翼船的数学模型，并根据地效翼船的实际参数，用MATLAB／Simulink对其数学模型进行仿真论证，同时针对导航与控制系统的特点，进行了MATLAB仿真，选择合理的仿真参数，确定了地效翼船的设计方案。其次，由于在地效应区域内飞行器平台姿态瞬时变化剧烈，要保证长时间稳定飞行，需要设计实时、稳定及可靠的导航系统。采用微惯性测量单元(MIMU)、GPS和微型导航计算机构成航姿参考系统(AHRS)，同时建立MEMS陀螺、加速度计以及水平倾斜仪传感器误差模型，通过标定实验对系统的误差模型参数进行辨识，得

3、到误差补偿方法，有效提高了导航系统的精度。接着，研究了基于扩展卡尔曼滤波器的数据融合算法，推导出惯性导航系统的误差方程、Kalman滤波器状态方程和量测方程，为导航系统提供理论依据。这里微型导航计算机把MIMU测量得到的陀螺仪和加速度计的输出进行捷联解算，输出姿态、位置和速度信息。这些信息连同由GPS的姿态信息一起输入到滤波器，进行信息融合，得到导航参数的最优估计值。最后，针对地效翼船，利用PID控制器设计实时、稳定的控制系统，并进行相关实验调试工作。实验结果表明，基于低精度MIMU和GPS的组合导航系统，利用微型计算机的快速处理能力，

4、设计多传感器融合算法，实现了较高精度的导航控制系统，导航算法满足无人地效飞行器实时控制的要求。关键词：地效翼船；MEMS：航姿系统；组合导航；扩展卡尔曼滤波哈尔滨工程大学硕士学位论文地效翼船的组合导航及控制系统设计ABSTRACTAccordingtothegroundeffectprinciple，GroundEffectVehicle(theEkranoplan，GroundEffectPlane)isakindofthespecialvehicle，withsuperlowaltitudeflightabilityofthespe

5、cialvehicle．Itrangedfrombetweenaircraft，shipsandhovercraft，andcanflyeitherleavethesurfaceofthewater(ground)orcloselytothewater(ground)．Basedonthecharacteristicsofgroundeffectvehicle，theflightcontrolsystemisdesigned．ThemicronavigationsystemisbasedontheMEMSgyroscope，accele

6、rometer,GPSandmicronavigationcomputer(DSP)．Theresearchobjectofthisarticleisthesmallunmannedgroundeffectvehicle．Theintroductionofmathematicalmodeling，datafusionalgorithmofaircraft，theoptimalattitudeestimationandthedesigningoftheflightcontrolsystemaredetailed．Firstofall，ac

7、cordingtotheairdynamicsprincipleofgroundeffectvehicle，designedthemathematicalmodels．Accordingtothevehicleactualparameters，makesimulationofthevehiclemathematicalmodelwithMATLAB／Simulink．AlsomaketheMATLABreal—timesimulationofcontrolsystem．Thentheground—effectwingshipdesign

8、withtheselectionofsuitablesimulationparametersisdetermined．Secondly,toensurethelongtimestableflight，des