[發(fā)明專利]一種用于仿生導航的姿態(tài)最優(yōu)化解算方法

有效

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• 申請日: 2019-01-08
• 公開（公告）號: CN109506660B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設計）人: 金仁成;謝林達;蔚彥昭;魏巍;楮金奎
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/16
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;劉秋彤

本發(fā)明提供一種用于仿生導航的姿態(tài)最優(yōu)化解算方法，屬于偏振光導航姿態(tài)求解技術領域。該方法利用偏振矢量和重力矢量構建目標誤差函數(shù)模型，并根據(jù)不同運動狀態(tài)求解最優(yōu)姿態(tài)四元數(shù)，以提高復雜機動條件下的姿態(tài)解算精度。本發(fā)明通過求解偏振方位角誤差搜索方向實現(xiàn)無人機航向信息補償修正，避免直接求解出現(xiàn)的角度模糊性問題。本發(fā)明設計的偏振光導航方案解耦航向與水平姿態(tài)求解過程，以克服姿態(tài)解算的空間位置約束，同時采取搜索因子可變的梯度優(yōu)化方法，可以根據(jù)飛行器不同運動狀態(tài)實時改變搜索步長大小，提高偏振光導航系統(tǒng)的測量精度和魯棒性。

技術領域

本發(fā)明屬于飛行器姿態(tài)測量與估計技術領域，涉及一種基于偏振光傳感器的航向姿態(tài)參考系統(tǒng)(AHRS)，主要是涉及一種搜索因子可變的梯度優(yōu)化姿態(tài)解算方法。

背景技術

航姿參考系統(tǒng)(Attitude and Heading Reference System,AHRS)是導航平臺中的關鍵設備，能夠為飛行器提供準確可靠的飛行狀態(tài)信息。傳統(tǒng)的航姿參考系統(tǒng)以慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)作為主要姿態(tài)解算部件，在此基礎上按照導航平臺的性能需求可以有兩種擴展方式：一種由慣性測量單元和地磁傳感器組成，另一種通過慣性測量單元結合GPS構成。然而上述兩種姿態(tài)測量方案均存在各自的不足：方案一中的地磁傳感器通過檢測磁場矢量來確定航向信息，然而其對電磁干擾十分敏感，易受周圍電磁場和機載電子設備影響導致航姿解算精度降低；在高機動情況下由于衛(wèi)星信號傳輸頻率與飛行器運動頻率的不一致性顯著增強，導致方法二中GPS丟星現(xiàn)象嚴重，影響航向信息的精確解算。

針對上述地磁傳感器和GPS不足，目前已經(jīng)提出了基于偏振光信息的仿生導航方法，其優(yōu)勢是無誤差累積現(xiàn)象、導航信息源獨立且有更好的自主性和較強抗干擾能力。現(xiàn)階段的偏振光導航策略主要有以下兩種：(1)在僅利用偏振光傳感器情況下實現(xiàn)自主定姿，關鍵技術是通過量測的偏振方位角來解算航向信息；(2)基于卡爾曼濾波的偏振光輔助定姿方法，核心策略是利用卡爾曼濾波算法實現(xiàn)慣性測量單元和偏振光傳感器的數(shù)據(jù)融合。然而這兩種方法均存在一定局限性：方法一在航向信息解算過程中存在偏振方位角模糊性問題，而且航姿解算精度與飛行器水平姿態(tài)的誤差精度密切相關，水平傾角只有在小角度范圍內變化時才能達到較高定向精度，因此極大限制了飛行器的空間姿態(tài)解算。方法二將偏振光傳感器與慣性測量單元輸出值作為濾波器觀測量以實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。其中卡爾曼濾波模型在每次迭代過程中計算量較大，因而需要運算速度足夠快的微處理器，否則將無法保證姿態(tài)解算的實時性要求，同時由于偏振光傳感器的模型誤差受多種因素影響，無法在卡爾曼濾波器中準確輸入相應誤差項，這樣進一步制約了該方法對導航精度的提高和系統(tǒng)性能的改善。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提出一種基于偏振光信息的姿態(tài)解算最優(yōu)化方法。偏振光傳感器主要利用天空中大氣偏振模式實現(xiàn)導航控制功能，具有不易受電磁干擾及測量誤差不隨時間累積等優(yōu)勢。本發(fā)明將偏振光傳感器與慣性測量單元結合，為了提高飛行器姿態(tài)解算精度提出一種用于仿生導航的最優(yōu)化計算方法。

本發(fā)明采用的技術方案：

一種用于仿生導航的姿態(tài)最優(yōu)化解算方法，利用偏振光傳感器和慣性測量單元采集飛行器實時姿態(tài)信息，通過偏振矢量和重力矢量建立目標誤差函數(shù)模型求解最優(yōu)姿態(tài)四元數(shù)，同時采取搜索因子可變的梯度優(yōu)化方法，根據(jù)飛行器不同運動狀態(tài)實時改變搜索步長大小，以提高偏振光導航系統(tǒng)的測量精度和魯棒性。該方法的具體步驟如下：

步驟一：采集偏振光傳感器和加速度計的輸出數(shù)據(jù)，設偏振光傳感器在模塊坐標系下的量測值為加速度計在載體坐標系下的量測值為將二者作為目標誤差函數(shù)實測項。其中，P_c^m的上標m表示投影到模塊坐標系，下標c表示該變量是偏振光傳感器的實測值；的上標b表示投影到載體坐標系，下標c表示該變量是加速度計的實測值。下標x,y,z表示矢量在三個坐標軸上各自分量。