地效飞行器?地效翼船原理?地效翼船的组合导航及控制系统设计

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《哈尔滨工程大学》 2012年

地效翼船的组合导航及控制系统设计

李官茂

【摘要】：地效翼船(Ground Effect Vehicle，亦称为地效飞行器、地效飞机)是一种利用地面效应原理，具有超低空飞行能力的特种飞行器，。它介于飞机、舰船和气垫船之间，既可以离开水（或地）面又可贴近水（或地）面飞行。 针对无人地效翼船的特点，本文研究了一种基于MEMS陀螺、加速度计、GPS等传感器与微型导航计算机（DSP）构成的微小型组合导航系统，并在此基础上设计了飞行控制系统。本文以小型无人地效翼船作为研究对象，详细介绍其数学建模、数据融合算法、姿态角最优估计以及飞行控制系统设计等，主要研究内容和成果如下： 首先根据地效翼船空气动力学原理，建立了地效翼船的数学模型，并根据地效翼船的实际参数，用MATLAB/Simulink对其数学模型进行仿真论证，同时针对导航与控制系统的特点，进行了MATLAB仿真，选择合理的仿真参数，确定了地效翼船的设计方案。 其次，由于在地效应区域内飞行器平台姿态瞬时变化剧烈，要保证长时间稳定飞行，需要设计实时、稳定及可靠的导航系统。采用微惯性测量单元(MIMU)、GPS和微型导航计算机构成航姿参考系统（AHRS），同时建立MEMS陀螺、加速度计以及水平倾斜仪传感器误差模型，通过标定实验对系统的误差模型参数进行辨识，得到误差补偿方法，有效提高了导航系统的精度。 接着，研究了基于扩展卡尔曼滤波器的数据融合算法，推导出惯性导航系统的误差方程、Kalman滤波器状态方程和量测方程，为导航系统提供理论依据。这里微型导航计算机把MIMU测量得到的陀螺仪和加速度计的输出进行捷联解算，输出姿态、位置和速度信息。这些信息连同由GPS的姿态信息一起输入到滤波器，进行信息融合，得到导航参数的最优估计值。 最后，针对地效翼船，利用PID控制器设计实时、稳定的控制系统，并进行相关实验调试工作。实验结果表明，基于低精度MIMU和GPS的组合导航系统，利用微型计算机的快速处理能力，设计多传感器融合算法，实现了较高精度的导航控制系统，导航算法满足无人地效飞行器实时控制的要求。

【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TN967.2
【目录】：

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【参考文献】

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