基于北斗的无人机高精度自主导航与监控技术研究

摘要

目前随着无人机技术的不断发展和进步，无人机自主导航技术开始逐渐地被应用到社会各行各业中，为其提供安全、便捷、智能、环保等高性能科技服务，使人们的生活和社会的生产变得越来越方便和高效。无人机自主导航技术的研究和发展将会不断推动着社会科学技术的革新，对未来的发展具有重大意义。本课题与现今绝大多数采用全球卫星定位系统(GPS)和无线电操控的无人机自主导航不同，是以具有完全自主知识产权的北斗导航系统作为无人机定位系统，在此基础上研究设计了稳定高效的先进惯导算法和先验全局信息下的路径规划算法，使得无人机能精准的完成自主导航任务，此外还制作了监控软件，可以实时监测无人机的飞行状态、导航信息和绘制飞行轨迹等。 本文研究的核心内容及成果如下: (1)本文研究了RTK技术原理及其双差定位模型，介绍了周跳的修复与探测和求解整周模糊度的核心技术，还研究了VRS虚拟参考站工作原理和流程，对虚拟观测值的计算和双差模型的建立做了理论公式推导。对网络RTK技术进行了相关软件开发，将网络RTK应用到了无人机的北斗定位上，提高了无人机自主导航的定位精度。 (2)本文详细研究了基于互补滤波的无人机姿态解算方法，包括巴特沃斯低通滤波技术、加速度计陀螺仪互补滤波技术、龙格库塔求解四元数微分方法等，通过仿真验证了巴特沃斯滤波和互补滤波的实用性。在姿态解算的基础上研究了无人机带观测器延时修正的竖直三阶互补惯导算法和水平双观测量卡尔曼滤波惯导算法，并仿真验证了惯导算法的实用性。在惯导基础上研究了Dubins-A*组合的PRM路径规划算法并仿真验证了算法的可行性，使无人机在一定情况下能实现避障并按最优路径完成导航任务。 (3)本文研究了C#WPF的开发环境并设计开发了无人机监控软件，详细研究了远程网络通信、自主导航相关的WPF控件布局设计、第三方API地图嵌入设计等技术。实现了导航通信系统与监控软件的远程双向通信，包括监控软件对无人机进行导航任务的发布和监控软件实时显示无人机的导航位置及运动轨迹。 (4)本文在理论研究的基础上对基于北斗的无人机高精度自主导航与监控技术做了系统性的软件设计和开发，在自制监控上位机、自制远程导航通信系统和无名飞控系统的基础上搭建无人机综合试验平台，完成了无人机北斗高精度定位、无人机自主导航惯导算法、无人机自主导航路径规划算法的软件设计，成功进行了本技术研究的综合试验。