无人机飞行状态参数的测量文献综述

文 献 综 述

1、引言

现代经济与航空事业的发展，以及应用需求的多元化和成本控制的严格需求，促使国内外纷纷开始无人机的研制。无人机制造成本更为低廉，其灵活性以及适应性更强，可以执行军事侦察、航空摄影、环境监测、气象观测等任。

无人机的不断发展，以及应用领域的不断扩展，对于无人机的要求也越来高，体积更小、重量更轻、灵活性更强等等。同时能够自主飞行的无人机越来越受到重视，而无人机的自主飞行必须要有一个稳定高效的飞行控制系，而这个飞行控制系统的核心便是无人机飞行状态参数测量系统，通过此系统可以得到无人机飞行过程中的加速度、角速度、角度、磁场、气压、高度以及经纬度等运动参，进而得到关于无人机飞行状态的立体、直观的数据，为无人机的飞行控制提供准确、实时、便捷的数据支撑。

2、飞行状态参数测量系统概述

无人机飞行控制系统的核心便是飞行状态参数测量系统，此系统通过多种传感器以及GPS接收机得到无人机飞行过程当中的加速度、角速度、角度、磁场以及气压等信息，并通过数据融合算法以及姿态解算算法得出无人机飞行过程中的航向、速度、俯仰角、海拔高度以及经纬度信息，并将所得数据用于无人机的自主飞行以及姿态控制系统。飞行状态测量系统一般是由陀螺仪来组成，在上个世纪三十年代飞行状态测量系统一般由机械转子式陀螺仪来构成。随后，伴随着技术的发展，光纤式陀螺以及激光式陀螺仪以其体积小、精度高、成本低等优点逐渐代替机械式陀螺仪被用在飞行状态测量系统当，二十世纪八十年代以后MEMS（Micro Electro Mechanical System，MEMS）惯性元器得到了长足的提高，进一步使得飞行状态测量系统的传感器件相较于以前在体积、耗损度和成本上具有了更大的优。但是由于MEMS在制造工艺，材料选择方面的限制，相比于传统的机械式陀螺仪、光纤式陀螺仪以及激光式陀螺仪，其在测量的准确性以及稳定性上不尽如人意。除此以外，基于MEMS的飞行状态测量系统最大的问题在于其测量误差会随着测量时间的增加而不断积，所以基于MEMS传感器的飞行状态测量系统很难单独完成实时高效的测量任务，需要一些其他设备的辅助，例如数字罗盘以及GPS接收机等等

3、飞行状态参数测量系统国内外发展现状

传统的单纯基于IMU的飞行状态参数测量方法由于其结构复杂、体积大且价格昂贵，已不再适合应用在小型或微型无人机，为此开发设计一套体积小、价格低的飞行状态测量系统具有重要的应用价值和实际意义，下面是一些学者进行的相关研究。

赵海生等提出了一种基于DSP的小型化无人机飞行姿态测量的设计方案，完成了微固态陀螺实时数据采集,并通过四阶Runge-Kutta方法对其姿态角进行了求解，试验结果表明,该飞行状态测量系统具有较高的测量精度、体积小、功耗低等特点。

2012年，史赟等采用可编程逻辑器件 FPGA 作为整个飞行参数测量装置的逻辑控制，简化了硬件设计和逻辑设计，提高了飞行参数测量装置的灵活性和可靠性。图1为史赟等人的飞行参数测量装置的组成框图。

图1史赟等人设计的飞行参数测量装置的组成框图

2015年，刘天刚等采用基于MEMS技术的惯性传感器并结合其他的传感器作为测量单元，并以STM32微处理器作为数据处理和系统控制中心的航向姿态测量系,此系统根据陀螺仪数据并运用欧拉角算法解算出航向角、俯仰角和横滚角，从而构成一个数字余弦矩阵。然后，使用加速度计数据解算出俯仰角和横滚角，同时使用GPS解析出航向角，从而一起构成一个三维向量。

此外，池晓辉等对MEMS-IMU在GPS辅助下的组合飞行姿态测量系统进行研。陈春行等设计一种由MSP430F5438与三轴地磁传感器、三轴MEMS陀螺仪和加速度计构建的姿态测量系统。宋东等以32位处理器STM32F103C作为控制核心,采用MEMS加速度计和磁传感器测量各轴向的重力加速度分量和地磁强度,进而确定飞行姿态。

4、本课题拟采用的方案

在毕业设计中，拟通过利用MSP430单片机系统、陀螺仪、加速度计、磁力计、气压高度计等各种传感器以及GPS模块，设计一个无人机飞行状态参数测量仪，完成电子系统设计、仿真、调试及制作，研究整个系统的结构设计以及相关的原理框图设计以及软硬件设计。探索用于无人机飞行状态参数测量的较高精度的嵌入式参数测量系统，飞行状态测量系统总体硬件框图如图2所示。

图2 飞行状态测量系统总体硬件框图

系统使用TI（德州仪器公司）公司生产的MSP430作为系统的主控单元，MSP430单片机是低成本、低功耗的16位单片。

系统搭建中使用多种MEMS传感器，包括陀螺仪、加速度计、磁力计以及气压高度计，MEMS传感器具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优，符合本课题所搭建系统小型化、低功耗的特点要求。

此系统的运作过程及特点如下：

利用多种MEMS传感器以及GPS模块得到无人机飞行状态的原始数据，通过多种数据处理以及解算算法，得到无人机的飞行姿态状况，此系统实际上是一个能够实时地处理各种无人机飞行数据的嵌入式系统，它能够实时地测量无人机各个分量的飞行参数。同时此系统具有体积小、功耗低、实时性好等特点，适合于无人机的环境下。

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