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题名	基于超宽带的无人直升机自主降落定位方法研究
作者	潘思
答辩日期	2021-05-21
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	沈阳
导师	谷丰
关键词	无人直升机 自主降落 超宽带定位 扩展卡尔曼滤波 基站位置标定
学位名称	硕士
其他题名	Ultra wideband based localization method research for autonomous landing of unmanned rotorcrafts
学位专业	机械电子工程
英文摘要	无人直升机具备垂直起降、定点悬停和低空低速飞行等空中机动能力，在军事和民用领域都拥有十分广阔的应用前景。自主降落是无人直升机执行各种自主飞行任务的必经阶段，也是实现无人直升机的回收和重复使用的前提。无人直升机完成自主降落需要精确的定位信息，这是无人直升机能否安全、准确降落的关键。如何对无人直升机进行准确的动态定位，实现无人直升机的自主降落，成为了无人机导航领域的重要研究课题。超宽带（UWB）无线定位技术以其定位精度高、实现简单，具有较强的抗干扰能力和穿透能力等优点，在高精度定位领域具有广阔的应用前景，近些年来在室内定位和机器人导航等领域得到了越来越多的研究和应用。本文研究无人直升机自主降落的定位方法，基于UWB无线定位技术，解决无人直升机在自主降落过程中的动态定位问题。对于静态目标的三维定位问题，在最小二乘定位方法（LS）的基础上，通过对UWB测距噪声进行分析，推导出了加权矩阵的解析表达式，从而可以使用加权最小二乘定位方法（WLS）来提高定位准确度，并与泰勒级数法、两步近似最大似然估计法和Levenberg-Marquardt（LM）这几种典型的多站测距定位方法进行了对比。对于无人机等运动目标的位置跟踪问题，采用扩展卡尔曼滤波（EKF）方法，并将其与WLS定位方法相结合，使用WLS的定位结果来增强系统的观测。与只使用UWB距离测量值作为系统观测值的EKF方法相比，观测增强的EKF位置估计方法能够有效提高水平面内位置估计的准确性。针对UWB定位系统在实际部署时所需要解决的基站位置标定问题，提出了一种基于LM优化的平面位置标定方法。通过采集多个位置的UWB测量数据，可以简单而有效地实现基站平面位置的自动标定。为了研究无人直升机在船舶等运动平台上的自主降落，本文对四级海况下船舶姿态角的实测数据进行了分析，获得了海浪的频谱特性，结合随机海浪模型，实现了船舶六自由度运动的模拟。然后，对无人直升机在船舶上进行自主降落的引导过程进行了数值仿真，从理论上验证了使用UWB定位系统来引导无人直升机在船舶等运动平台上进行自主降落的可行性。最后，搭建了UWB定位系统和四旋翼无人机飞行实验平台，在室内进行了无人机飞行实验。通过多组静态测距实验，建立了UWB测距误差的正态分布模型。使用基站平面位置标定方法，完成了UWB基站的位置标定。大部分的标定误差和校验误差都小于13 cm，个别基站的校验误差和标定误差由于人员遮挡而大于30 cm。根据标定得到的基站位置，使用观测增强的位置估计方法，获得了无人机的飞行轨迹。进一步地，使用开源的实验数据所提供的UWB测量值和无人机的真实轨迹，对几种位置估计方法的定位性能进行了定量地分析。结果表明，相比于常规的EKF方法，观测增强的EKF位置估计方法能够将定位性能提高15%左右，水平方向平均定位误差最大约为16 cm，垂直方向平均定位误差约为14cm。
语种	中文
产权排序	1
页码	72页
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.cn/handle/173321/28958]
专题	沈阳自动化研究所_机器人学研究室
作者单位	中国科学院沈阳自动化研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	潘思. 基于超宽带的无人直升机自主降落定位方法研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021.

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