基于小型无人机的航姿测量系统研究与设计

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1、基于小型无人机的航姿测量系统研究与设计重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：刘天刚指导教师：潘银松副教授专业：仪器科学与技术学科门类：工学重庆大学光电工程学院二O一五年五月ResearchandDesignofHeadingandAttitudeMeasuringSystemBasedonSmallUAVAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByLiuTiangan

2、gSupervisedbyAss.Prof.PanYinsongSpecialty:InstrumentScienceandTechnologyCollegeofOpto-ElectronicEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015中文摘要摘要航向姿态测量系统是小型无人机飞行导航系统的飞行参数信息的重要来源，是小型无人机实现自主飞行必不可少的关键组成部分。航向姿态测量系统主要测量无人机载体的航向角、俯仰角、横滚角、飞行高度和位置坐标等飞行姿态参数，同时将其提供给无人机的

3、飞行导航系统，以使飞行导航系统能够实时地监测到载体的飞行状态并根据姿态参数实时地调整载体的飞行姿态，以保证无人机能够按照设定的姿态和航线飞行。该测量系统采用基于MEMS技术的惯性传感器并结合其他的传感器作为测量单元，并以STM32微处理器作为数据处理和系统控制中心，同时能够通过无线通信模块实时地将测量数据发送给地面站或者上位机。航向姿态测量系统使用了多种数据融合算法来解算飞行参数信息。首先，根据陀螺仪数据并运用欧拉角算法解算出航向角、俯仰角和横滚角，从而构成一个数字余弦矩阵。然后，使用加速度计数据解算出俯仰角和横滚角，同时使用GPS解析出航

4、向角，从而一起构成一个三维向量。其次，将这个三维向量与数字余弦矩阵解算出的航向姿态角进行对比分析并得出角度误差，同时根据角度误差并利用比例积分控制器实时地修正从陀螺仪解算出的航向姿态角，以保证构成的数字余弦矩阵的正交性不被破坏，从而便能够通过数字余弦矩阵得到更加精确的航向角、俯仰角和横滚角。此外，该测量系统的高度解算采用数字气压高度传感器和气压高度计算式来完成。首先，介绍了该课题的国内外现状和相关的背景知识，以及研究范围和主要内容。然后，针对航向姿态测量系统涉及到的理论基础知识和相关的航向姿态解算算法做出了说明，主要包括测量系统常用的参考坐

5、标系、气压高度解算算法、方向余弦矩阵、欧拉角算法、惯性测量原理和GPS测量原理。其次，介绍了该测量系统的硬件设计方案和软件设计方案。最后，通过联合硬件电路和软件程序设计出了一个能够正常工作的航向姿态测量系统，并通过实验得出了相应的测量结果。实验结果表明，该测量系统达到了最初的设计目标和要求，而且航向姿态角度输出稳定且精度较高，误差在可接受范围内，能够被运用于小型无人机的飞行控制系统中。关键词：小型无人机，MEMS传感器，GPS，方向余弦矩阵，航向姿态角I英文摘要ABSTRACTTheheadingandattitudemeasuringsy

6、stemistheimportantsourceoftheinformationofflightparametersofflightnavigationsystemofasmallunmannedaerialvehicle(UAV),anditistheindispensablekeycomponentofasmallUAVrealizingautonomouslyflight.Thesystemmainlymeasurescourseangle,pitchingangle,rollangle,flightaltitudeandpositi

7、oncoordinatesetaltheflightparameters.Atthesametime,itprovidesthemforflightnavigationsystemofUAV,sothattheflightnavigationsystemcantimelymonitortheflightstatusofthecarrierandadjusttheflightattitudeofthecarrieraccordingtothepostureparameters,andinordertoensurethattheUAVcanfl

8、yinaccordancewiththesettingpostureandroutes.ThesystemadoptsinertialsensorbasedonMEMStechn