基于固定翼无人机的偏振光信息融合算法研究

摘要

偏振光导航是一种新型的仿生导航技术。由于偏振光导航具有自主性、抗干扰性等优势，其应用前景得到广泛关注。目前无人机导航技术大多依赖卫星，但卫星导航易受干扰和攻击等缺陷。为了保障无人机具有高精度和抗干扰性的导航技术，设计了两种融入偏振光传感器信息的滤波算法以及基于偏振光组合导航的无人机实验平台，为偏振光导航在无人机三维空间导航领域的应用累积了前期的应用理论和实验基础。
　　本文分析天空偏振光的分布规律，并研究了如何从天空偏振光中获取方位信息;探讨了偏振光传感器在倾斜情况下方位角的求取方法，为偏振光传感器应用于无人机三维导航提供一定的理论基础。
　　对捷联惯导系统和GPS/SINS组合导航系统的机理进行了研究，利用惯导工具箱和Matlab进行仿真，并使用MFC技术开发了捷联惯导系统仿真界面。在此基础上，设计了两种融入偏振光传感器信息的组合导航算法，分别是基于偏振光传感器的集中卡尔曼滤波算法和基于偏振光传感器的互补滤波算法，利用Matlab仿真两种算法，结果表明都能提高无人机的姿态精度，满足导航精度的要求。
　　为了研究偏振光传感器在无人机导航上的应用，设计了基于偏振光组合导航的无人机实验平台，分析无人机实验平台的功能需求，完成无人机实验平台的软硬件开发。经过多次实验调试，实现无人机的自主飞行，并采集大量偏振光传感器数据验证了基于偏振光组合导航理论和实验的可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 仿生偏振光导航的国内外发展状况

1．3 组合导航研究现状

1．4 本文研究内容及章节安排

2 仿生偏振光导航原理

2．1 天空偏振光信息的获取

2．2 偏振光传感器中亚波长光栅结构设计

2．3 本章小结

3 GPS／SINS组合导航系统

3．1 捷联惯导系统

3．1．1 捷联惯导系统基本参数说明

3．1．2 捷联惯导系统的导航信息输出原理

3．1．3 捷联惯导误差模型的确定

3．1．4 捷联惯导系统仿真分析

3．1．5 捷联惯导仿真界面开发

3．2 全球定位系统GPs

3．2．1 全球定位系统GPs组成和工作原理

3．2．2 GPs导航系统的误差分析和误差方程

3．3 卡尔曼滤波

3．4 GPS／SINS组合导航系统卡尔曼滤波器设计

3．4．1 GPS／SINS组合导航系统状态方程和量测方程建立

3．4．2 组合导航的仿真和结果分析

3．5 本章小结

4 偏振传感器信息融合算法设计

4．1 基于偏振光传感器的集中卡尔曼滤波

4．1．1 集中滤波器的设计

4．1．2 基于偏振光传感器的集中卡尔曼滤波的组合导航仿真

4．2 基于偏振光传感器的互补滤波算法

4．2．1 偏振光传感器／SINS互补滤波器设计

4．2．2 偏振光传感器／SINS互补滤波器仿真

4．4 本章小结

5 基于偏振光组合导航的无人机三维导航实验

5．1 无人机实验平台总体架构

5．2 无人机实验平台硬件组成

5．2．1飞控板模块

5．2．2 电源模块

5．2．3 无人机各传感器模块

5．2．4 执行机构模块

5．2．5 无线传输模块

5．3 无人机实验平台开发以及自主飞行实验

5．3．1 无人机自主飞行结果分析

5．3．2 基于偏振光传感器的无人机飞行及数据采集

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢