基于UWB的四旋翼飞行器目标运动状态估计

摘要

近年来，四旋翼飞行器在航拍、农业、测绘以及快递物流行业上应用广泛，得益于四旋翼飞行器的大范围商业化应用，四旋翼飞行器的状态估计、飞行控制以及避障、目标跟踪等技术得到了快速发展。在四旋翼飞行器的目标跟踪方面，目前已实现了从基于GPS的移动目标跟踪到基于机器视觉的目标跟踪技术的跨越，给人们的生产生活带来了巨大的便利。
　　然而，基于GPS的四旋翼目标跟踪技术，受到GPS精度不高、无法在室内或者有较大建筑物遮挡的环境下使用的制约，基于单目视觉的目标跟踪技术，存在计算量大、受遮挡无法跟踪、难以恢复目标的相对位置信息等问题。而基于UWB（超宽带）定位技术的四旋翼目标跟踪技术，具有近距离（几十米以内）精度高，可以在室内使用，计算量小，以及可以直接求取目标的相对位置的优势。
　　本论文研究基于UWB的四旋翼飞行器目标运动状态估计问题，主要工作如下：
　　首先，建立目标和飞行器的相对运动模型，针对UWB测距的特性，建立UWB的测量模型；针对单对UWB测距模块安装在四旋翼飞行器上的目标状态估计问题，进行可观性分析，推导系统可观的条件。
　　其次，针对单对UWB测距模块，在测量方程是非线性的情况下，研究目标的相对运动信息估计问题。通过线性化测量方程，采用扩展卡尔曼滤波（EKF）进行状态估计，考虑到线性化误差，导致估计误差较大的问题，给出基于迭代扩展卡尔曼滤波（IEKF）的状态估计方法，在当前状态估计值处重新进行线性化，通过仿真验证状态估计方法的有效性；考虑到初始的先验信息对估计收敛速度的影响，提出基于图像和飞行器对地高度信息的初始相对位置估计算法，获得较为准确的初始状态信息。
　　然后，研究在空间限制条件下的多个UWB测距模块布局对定位精度的影响，基于条件数设计最优的构型布局，给出基于QCEKF的目标的运动状态估计方法。
　　最后，搭建UWB硬件测试平台，通过实验验证最优构型下系统的目标定位精度，以及IEKF算法和QCEKF算法的可行性。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第2章 四旋翼飞行器目标运动状态估计问题描述及分析

2.1 引言

2.2 目标运动状态估计问题的描述

2.3 可观性分析

2.4 本章小结

第3章 基于IEKF的目标运动信息估计

3.1 引言

3.2 基于IEKF的目标运动信息估计

3.3 初始状态信息的获取

3.4 仿真结果及分析

3.5 本章小结

第4章 基于QCEKF的目标运动信息估计

4.1 引言

4.2 基于条件数的多UWB模块构型优化

4.3 基于QCEKF的目标运动信息估计

4.4 仿真结果及分析

4.5 本章小结

第5章 实验

5.1 引言

5.2 实验平台的搭建

5.3 目标运动信息估计实验结果与分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢