微小型四旋翼飞行器低成本组合导航系统数据处理理论研究

Existing navigation systems of small quad-rotor aerial vehicle (QAV) on-board are usually simply constructed by loosely integrating multiple heterogeneous navigation sensors without considering the influences imposed by QAV rotors and flight environment. Based on our previous experiments, more attentions should be paid to the facts that the revolution and ventilation caused by QAV rotor-wings seriously degraded the performances of navigation system. Considering these influences, this project aims to comprehensively investigate integrated navigation data processing theory. The research contents are as follows: 1) Navigation sensors are individually evaluated and analysed for accurate mathematical model establishment and error compensation in the presence of revolution and ventilation. 2) By taking into account the correlations between aerodynamics model error and navigation sensor errors, an aerodynamic model-aid integrated navigation fusion algorithm is developed for navigation accuracy improvement. 3) An efficient quality control strategy is addressed and realized through fully utilizing multiple historical states information and flight control command constraint. 4) Finally, simulations and flight experiments will be carried to test and validate the whole integrated navigation system. The research fruits would be very important and essential in theory and practice and can be potentially expanded to other sorts of moving objects.

现有微小型四旋翼飞行器（QAV）的机载组合导航系统大多采用多种异构光电传感器进行松散集成，并未考虑QAV平台本身及环境对导航系统的影响。然而，通过前期机载传感器测试，我们发现QAV旋翼振动、旋转及其所产生气流降低了导航精度与可靠性。本项目顾及以上影响因素，深入研究组合导航数据处理理论。具体研究内容包括：1）QAV平台与环境对导航传感器误差的影响评估、建模以及对导航系统的补偿方法；2）顾及误差相关性的气动模型辅助融合导航算法；3）联合多历元变化规律与控制指令约束信息的系统可靠性增强方法；4）组合导航数据处理算法仿真验证及机载软件编写。本项目综合考虑飞行器平台特性、气动模型与控制系统指令的导航数据处理理论研究成果，具有重要的研究意义与实用价值，同时也为其他类型载体导航系统设计提供参考依据。

本项目研究了微小型四旋翼飞行器低成本组合导航系统数据处理理论，主要内容及成果涉及以下几个方面： 1）顾及QAV机体影响的导航传感器误差分析与处理。从飞行器平台角度出发，考虑其影响导航系统的原理方式，提出了便捷的系统误差标定方法以及有色噪声与相关噪声影响的补偿方法。2）导航数据融合架构及算法。提出了飞行器多传感器的异步导航信号分布式架构的状态估计方法，给出GNSS卡尔曼滤波中状态模型偏差修正以及无GNSS下的导航增强方案。在姿态环路稳定方面提出了矢量匹配的GNSS/MARG融合方法。3）QAV动态导航质量控制策略研究。提出了线性估计器解决了飞行器角速率信息失效情况下的重构问题以及解的连续性问题。引入了GNSS速度矢量进行航向角及异常信息的探测、在线偏差估计和补偿。对于异步导航信号分布式状态估计，建立了多历元PVA变化规律作为约束条件，针对传感器的异常干扰和非高斯噪声设计了自适应鲁棒滤波策略。4）仿真与机载飞行实验验证。我们设计搭建了四旋翼飞控系统闭环仿真模型，评估了各环节因素对与飞行器导航控制的影响，也进行了相应的嵌入式机载代码的开发工作，通过了实际飞行实验进行算法验证与软件测试。2018年，我们将该系统应用于无人车/四旋翼飞行器协同导航控制。5）其他相关拓展研究。开发了低功耗PDR系统，在200余人测试样本下显示出了良好的适应性和实用性。相关数据处理理论还扩展至GNSS\视觉辅助惯性传感器的QAV/无人车协同导航控制。以上研究成果涉及飞行器导航系统数据处理理论方法，具有导航数据处理中的共性思维，提出的新思想和新方法为其他运动平台如无人车、无人船的导航数据处理鲁棒性和稳定性提供了理论依据和参考借鉴，尤其是研究为的导航系统算法层面的改善提供重要的借鉴作用。