基于INS/GPS/视觉的自主空中加油相对位姿估计算法研究

摘要

无人机制造、维护成本低，机动性强，适用于执行特殊任务，但是受载重限制，其携带的燃油量严重不足，限制了航程和续航时间，为解决这一问题，可采用自主空中加油技术。本文针对硬式空中加油过程中的相对导航问题，以扩展卡尔曼滤波算法和自适应联邦滤波算法为主要优化工具，对基于INS、GPS和视觉的相对导航算法进行了研究，并根据硬式空中加油近距相对导航的特点提出了三段式的相对导航解决方案。
　　首先根据硬式空中加油的特点，对空中加油相对导航问题进行了分析与建模。研究了受油机与加油机的相对运动模型，包括相对姿态运动和相对质心运动；分析了各传感器的测量误差，分别建立了INS、GPS和视觉导航系统的测量模型。
　　然后，针对组合导航系统的滤波问题，以INS为参考系统，应用扩展卡尔曼滤波技术设计了GPS和视觉导航辅助的相对导航滤波器，推导了基于INS的状态传播模型和两种组合模式下的观测模型，给出了局部线性化后的系统矩阵和观测矩阵，并在双机编队飞行模式下对设计的滤波器进行了仿真验证。
　　针对多传感器组合导航问题，设计了自适应联邦滤波器。根据加油机与受油机对接段相对距离的不同，结合各传感器的工作特点，提出了三段式的相对导航解决方案；针对INS/GPS和INS/视觉导航子系统的信息融合问题，应用联邦技术进行全局滤波，并结合协方差分析和自适应因子改进了常规的信息分配算法，提高了全局滤波器对局部扰动的抗干扰能力。
　　最后，利用Matlab环境下建立的自主空中加油仿真平台模拟生成了加油机与受油机的相对运动轨迹，对自适应联邦滤波器的相对导航性能进行了仿真验证，并对导航结果进行了比较分析。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要工作及章节安排

第二章 硬式空中加油相对导航系统分析与建模

2.1硬式空中加油概述

2.2相对导航问题描述

2.3相对导航运动学模型

2.4相对导航传感器及其测量模型

2.5本章小结

第三章 基于扩展卡尔曼滤波的空中加油相对导航

3.1扩展卡尔曼滤波原理

3.2滤波器系统模型

3.3观测模型

3.4分段式组合导航算法设计

3.5仿真验证

3.6本章小结

第四章 基于多传感器信息融合的空中加油相对导航

4.1多传感器信息融合结构

4.2联邦滤波原理

4.3自适应信息分配算法

4.4仿真实验与分析

4.5本章小结

第五章 硬式空中加油相对导航综合仿真验证

5.1对接段空中加油仿真平台

5.2基于INS/RB-DGPS/视觉的相对导航系统仿真验证

5.3仿真结果综合比较

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

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