基于气动模型辅助的四旋翼飞行器室内自主导航方法

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1、航空学报Apr．252015voI．36No．41275．1284ActaAeronaullcaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxb．buaaedu．cnhkxb@buaa．edu．cnDOI：10．7527／S1000一6893．2014．Oll2基于气动模型辅助的四旋翼飞行器室内自主导航方法吕品1，赖际舟1’*，杨天雨1，刘建业1，朱斌2，宋亦凡11．南京航空航天大学导航研究中心，南京2100162．中航工业第一飞机设计研究院，西安710000摘要：惯性／卫星／磁传感器／气压高

2、度计组合导航系统是四旋翼飞行器常用的导航方案。但在室内飞行时，由于卫星导航系统不可用，该导航方案的测速及定位精度难以满足四旋翼飞行器的自主飞行需求，从而制约了其室内自主飞行能力。为解决该问题，在利用四旋翼飞行器气动模型的基础上，提出了惯性／磁传感器／声纳传感器／气动模型组合导航方案。通过分析四旋翼飞行器的气动模型特性，揭示了气动模型辅助自主导航的内在机理；提出了气动模型辅助导航算法，并设计了具体的实施流程。最后，结合0S4型四旋翼飞行器的气动模型特点，搭建了气动模型辅助导航方案的验证平台，对四旋翼飞行器的室内悬停与机动飞行进行了仿真模拟。仿真结果表明，

3、气动模型辅助导航方案可以显著提高室内飞行时的测速与定位精度。该方案无需增加其他传感器，具有自主性强、成本低和零载重的优点，在四旋翼飞行器室内导航中具有较好的应用价值。关键词：四旋翼飞行器；气动模型；辅助导航；室内导航；定位算法中图分类号：V241．6文献标识码：A文章编号：1000一6893(2015)04一1275—10四旋翼飞行器具有结构简单、易于控制、可悬停和垂直起降等优点，在近地面环境下的监视与侦查任务执行中得到了广泛应用，具有广阔的军事应用和民用前景[1]。惯性／卫星／磁传感器／气压高度计组合导航系统是四旋翼飞行器常用的导航方案[2。3]，能

4、够提供准确的姿态、速度及位置信息，以保障其完成各类复杂的飞行任务。但是，在室内飞行时，由于缺乏卫星导航系统信息的辅助，机载低成本微机械(MEMS)惯性导航系统的误差会迅速发散，从而使传统导航方案难以满足四旋翼飞行器自主飞行的测速与定位精度需求。气动模型辅助导航是一种新型的飞行器导航方法。它通过将飞行器的气动模型信息与现有的导航系统信息相融合，来有效提高导航系统的导航精度与可靠性。该导航方法无需增加额外的传感器，具有自主性强、成本低和零载重等优点[4。5]。近年来，国外学者对气动模型辅助导航方法在各类飞行器中的应用给予了较多的关注[6。8]。Bry—so

5、n[9]和Vasconcelos[103等提出了针对固定翼飞行器的惯性／气动模型融合方案，在一定程度上提高了惯性导航系统的导航精度，并通过仿真对其可行性进行了验证。Vissi色re等[1妇提出了针对小收稿日期：2014—04-09：退修日期：2们4—05—15；录用日期：2014—05-30；网络出版时间：2014-06—0620：02网络出版地址：www．cnhnet／kcms／detail门07527／S1000-6893．2014．0112htmI基金项目：国家自然科学基金(61174197)；航空科学基金(2012zc52045)；江苏省普通高

6、校研究生科研创新计划(cxLxll—0201)；南航博士学位论文创新与创优基金(BcxJll—04)*通讯作者．Tel：025-84892304-807E—mai

7、：laijz@nuaaeducn戮壤棒武tL州P．LalJz，YangTY。eta

8、．Autonomousnaviga{ionmet砌aidedbyaerod”amicsmode

9、foran

10、ndoofquadrotorLJJ．AdaAefonautioaetAstronaulicaslnica．2015．36(4)：1275．1284．g品．赖际舟．杨天雨．等．基于气动模型辅助的四旋翼飞行

11、器室内自主导航方法[JI．航空学报．2015．36(4)：1275—1284．航空学报型无人直升机的惯性／全球定位系统(GPS)／气压高度计／气动模型融合方案，相关试验结果表明，在某机载传感器短时失效时，剩余系统在气动模型的辅助下可继续输出可靠的姿态、速度、位置等导航信息，有效提高了低成本导航系统的可靠性。美国陆军研究实验室在对多型号炮弹进行建模分析的基础上[12。3

12、，将惯性／气动模型融合方案应用到了炮弹定位中[】4。15I，经试验证明，该方案在炮弹飞行过程中的定位精度与惯性／GPS融合方案的应用效果相当。本文提出了一种气动模型辅助的四旋翼飞行器室内

13、自主导航方法，利用气动模型对惯性／磁传感器／声纳传感器融合方案进行辅助，以提高其室内的测速与定