无人机动平台组合导航系统

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无人机导航系统综述

无人机导航系统综述摘要：本文首先简要介绍几种适用于无人机的导航系统及其实现原理，然后根据各种导航系统的优缺点，阐述近年来已成功应用或正在广泛研究的组合导航方法，最后对无人机导航技术的发展趋势进行分析与预测。

关键词：无人机；导航系统；组合导航；综述Abstract: Firstly this paper briefly describes some of the navigation systems applicable for UA Vs and their principles of realization. Then some approaches of integrated navigation that has been applied or under research these years are listed based on the advantages and disadvantages of different navigation systems. In the end we analyze and anticipate the development trend of the navigation technology for UA Vs.Key words: UA V, navigation system, integrated navigation, survey中图分类号: V279+.2 文献标识码: A文章编号:引言无人机导航是指无人机在飞行过程中确定其位置和方向的方法或过程，涉及数学、力学、光学、电子学、自动控制及计算机等多个学科[1]。

导航系统的性能直接关系到航行任务的完成[2]，因为无人机只能依靠飞行控制系统来实现自动飞行，而飞行控制系统的反馈输入来自于导航信号，即机载计算机对于当前位置和（或）速度的估计，如图1所示。

图1 无人机航迹跟踪工作方式示意图虽然时至今日已有多种类型的无人机导航技术被研发和使用，但是在应用中需要根据实际需要选择最适合的导航技术。

KY-INS112 组合导航系统使用说明书

KY-INS112组合导航系统使用说明书北京北斗星通导航技术股份有限公司导航产品事业部目录1.概述 (1)2.功能及指标 (1)2.1主要功能 (1)2.2性能指标 (1)3.工作原理 (3)3.1.产品组成 (3)3.2.基本原理 (3)4.使用说明 (4)4.1外形尺寸 (4)4.2电气接口 (5)5.系统导航工作流程 (8)5.1.组合导航流程 (8)5.2.纯惯性导航流程 (8)6.产品配置 (9)6.1.设备接口功能 (9)6.2.配置查询 (10)6.3.波特率配置 (10)6.4.协议及更新率配置 (10)6.5.初始值配置 (12)6.6.功能模块配置 (12)6.7.“零速修正”配置 (12)6.8.“位置输出平滑”配置 (13)6.9.载体类型配置 (13)6.10.GNSS天线杆臂配置 (14)6.11.输出杆臂设置 (15)6.12.安装角设置 (15)6.13.输出角设置 (16)6.14.强制转惯性导航 (16)6.15.系统复位 (17)7.输出语句解析格式 (17)7.1.可输出的协议类型 (17)8.存储数据导出 (22)9.系统维护 (24)9.1.固件升级 (24)9.2.参数上传 (24)10.注意事项 (25)11.附录 (25)11.1.卫星接收机COM2输出配置 (25)11.2.差分配置说明 (26)11.2.1.差分基准站设置 (27)11.2.2.差分通讯链路设置 (27)11.2.3.差分移动站设置 (28)11.3.32位CRC校验计算方法 (28)1. 概述KY-INS112组合导航系统由MEMS传感器及高端GNSS 接收机板卡（NovAtel-718D ）组成，通过多传感器融合及导航解算算法实现。

该产品可靠性高，环境适应性强。

通过匹配不同的软件，产品可广泛应用于无人机、无人车、测绘、船用罗经、稳定平台、水下运载器等领域。

2. 功能及指标2.1主要功能组合导航系统能够利用GNSS 接收机接收到的卫星导航信息进行组合导航，输出载体的俯仰、横滚、航向、位置、速度、时间等信息；失去信号后输出惯性解算的位置、速度和航姿信息，短时间内具备一定的导航精度保持功能。

无人机CNSS／GLONASS组合导航技术

ＨＵＪｕｎ．ＨｕａｎｇＫｅｍｉｎｇ．ＤａｉＹｕａｎｗｅｎ
（Ｎｏ．６Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ．ＡｒｍｙＯｉｃｆｅｒＡｃａｄｅｍｙｏｆＰＬＡ．Ｈｅｆｅｉ２３００３１．ｉｎａ）
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＡＶ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；Ｂｅｉｄｏｕｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ＧＬＯＮＡＳＳｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ
摘要：为实现无人机导航系统覆盖范围大、精度高、动态强等要求，从分析我国无人机导航现状入手，研究ｃＮｓｓ／ＧＬＯＮＡｓｓ组合导航定位数据解算方法。基于 “ 当前 ”统计模型建立状态方程和观测方程，并通过飞行实验和数据分析对相关性能进行验证结果表明：提出的ＣＮＳＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ组合导航定位数据解算方法可实现２种系统的优势互补，提高北斗系统在无人机高动态导航中的可用性，增强无人导航精度。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅｃｏｖｅｒａｇｅ，ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｄｙｎａｍｉｃｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆＵＡＶｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｄａｔａｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎＣＮＳＳ／ＧＬＯＮＡＳＳｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅｓｔａｔｕｓｑｕｏｏｆＵＡＶｎａｖｉｇａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ“ ｃｕｒｒｅｎｔ ”ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｍｏｄｅ１．ｉｔｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓｔｈｅｓｔａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎａｎｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎ．ａｎｄｖｅｒｉｆｙｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｈｒｏｕｇｈｆｌｉｇｈｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅＣＮＳＳ／ＧＬＯＮＡＳＳｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｌｏｃａｔｉｏｎｄａｔａｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｃａｎｒｅａｌｉｚｅｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｔｗｏｓｙｓｔｅｍｓ．ｉｍｐｒｏｖｅｕｓａｂｉｌｉｔｙｏｆＢｅｉｄｏｕｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎＵｈｉｇｈｄｙｎａｍｉｃｓｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｅｎｈａｎｃｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ．

小型无人机SINS／GPS／视觉组合导航研究

小型无人机SINS／GPS／视觉组合导航研究随着航空技术的不断发展，无人机对导航系统精度和可靠性的要求越来越高。

由捷联惯导系统（SINS）和全球定位系统（GPS）构成的组合导航系统是无人机最为常用的导航系统。

然而，由于GPS存在信号易丢失、易受干扰的缺点，使得SINS/GPS系统在应用上具有一定程度的局限性。

为了扩大其适用范围，充分发挥SINS/GPS导航系统的优势，本文采用了计算机视觉导航技术，对SINS/GPS/视觉组合导航系统进行了研究和分析，并进行了仿真实验。

标签：无人机；捷联惯性导航系统；计算机视觉；组合导航；卡尔曼滤波0 引言随着无人机技术的发展，导航系统的种类也越来越多，通常有惯性导航系统、卫星导航系统、多普勒导航系统和地形辅助导航系统等[1]。

然而，单一的导航装置已难以满足当前实际应用中的飞行要求，多种形式的组合导航方案随之产生，组合方案的采用使各导航系统之间取长补短，利用组合系统提供的冗余信息可以有效提高系统的导航精度和可靠性[2]。

本文针对GPS/SINS组合导航系统中GPS信号易受干扰、易丢失等缺点，提出了SINS/GPS/视觉组合导航方案，提高了系统的可靠性和导航精度，具有一定的工程实际意义。

1 SINS/GPS/视觉组合导航系统方案捷联惯导系统SINS为主导航系统，全球定位系统GPS和计算机视觉系统则作为导航辅助子系统。

SINS采用姿态解算算法将MEMS传感器输出数据解算为需要的导航参数，GPS接收机获取的信号经由计算机转换为用户所需的机体位置和速度参数，而视觉系统则根据连续时刻的图像信息估计机体的姿态参数[2]。

利用SINS系统误差模型、GPS量测误差模型及视觉量测误差模型构成扩展卡尔曼滤波器，两个子滤波器给出局部最优估计，再依据信息融合技术将局部估计有机合成，从而得到捷联惯导系统状态的全局最优估计。

SINS/GPS/视觉组合导航结构如图1所示。

2 SINS/GPS/视觉组合导航系统状态方程的建立本系统采用的组合方式为SINS分别与GPS和视觉系统构成子组合，且都采用输出校正，因而可采用同一组状态方程。

无人机导航与控制系统的设计与实现

无人机导航与控制系统的设计与实现无人机是一种无人操控的飞行器，它具备了一些传统飞行器所不具备的特点，如灵活性、机动性、快速反应能力等。

这使得无人机在多个领域，包括军事、民用、科研等方面有了广泛的应用。

无人机导航与控制系统是无人机正常运行所必需的核心组件，它能够实现无人机的导航和控制功能。

无人机的导航与控制系统设计与实现主要包括以下几个方面：导航模块设计、传感器选择与配置、控制算法开发和底层硬件控制。

首先，无人机的导航模块设计是无人机导航与控制系统中的核心部分。

导航模块需要能够实时获取并处理来自各个传感器的数据，通过集成导航算法来实现无人机的定位、速度估计和航迹规划等功能。

导航模块还需要具备对外部环境变化的适应性，并能够处理异常情况下的应急导航问题。

因此，在设计导航模块时，需要综合考虑无人机的应用场景和任务需求，选择合适的导航算法和传感器组合，并进行系统级的设计和算法优化。

其次，传感器的选择与配置是无人机导航与控制系统设计与实现中的重要一环。

传感器是无人机感知外部环境和获取飞行动态信息的主要手段，影响着导航与控制系统的性能和稳定性。

常用的无人机传感器包括全向摄像头、惯性测量单元（IMU）、超声波/激光测距仪、GPS等。

根据无人机的应用场景和任务需求，合理选择和配置传感器是保证无人机导航与控制系统正确运行的关键。

第三，控制算法的开发是无人机导航与控制系统设计与实现的重要组成部分。

控制算法可以根据导航模块提供的无人机状态信息和飞行目标信息，对无人机进行姿态控制、速度控制和航迹控制。

常用的无人机控制算法包括PID控制器、模型预测控制器和强化学习控制器等。

在开发控制算法时，需要考虑无人机的动力学模型和姿态/运动的约束条件，并通过仿真和实验验证算法的性能和稳定性。

最后，底层硬件控制是无人机导航与控制系统设计与实现过程中不可或缺的一环。

底层硬件控制主要包括对无人机的电机、舵机和传感器等硬件设备的控制。

无人机的电机控制是实现飞行动力学的关键，舵机控制用于实现加速度、姿态和航向的调整。

基于联邦滤波的无人机组合导航系统设计

组合导航
天文导航
联邦滤波
中国法分类号
文献标志码Ａ
高空长航时无人机对于导航系统的长时间高
受环境影响。
精度工作提出了很高的要求。现在的导航系统种类很多，常采取组合导航的形式取长补短，升通提
关于惯导状态的局部最优估计按融合算法合成为关于惯导状态的全局最优估计。
Ｘ＝【ｃ
系统状态方程为
ｂｂｂ］５（）
ｃｓ＝ＦｃｓＮＮＮＸｃｓ＋ＧｃｓｃｓＮＮＷ
（）６
１２量测方程的建立．
选择捷联惯导为公共参考系统，子系统分别与组合，构成２个子滤波器＿。４Ｊ
１２１ＳＮ．．ＩＳ与ＧＰＳ形成的量测量
将ＧＳ导航仪输出的位置和速度信息与惯导Ｐ
的相应输出信息相减得量测方程为
滤波器的导航性能。
１组合导航系统模型
１１状态方程的建立．
１１１激光陀螺捷联惯导系统．．
速度计测量载体的平移运动加速度，陀螺仪测量载
体的转动运动。它完全依靠惯性器件自主地完成
导航任务，同外界不发生联系，有短时精度高、具输
ｓ矶ｓ曲ＥＡ＾ｓＡ
ＮｓＡ
ｕ］３ｓ（）Ａ
（）４

第2章无人机组成及飞行原理

固定翼无人机的结构组成
5、动力装置
目前民用领域主要适用往复式活塞发动机和无刷电动机。无刷电动机多用于多旋翼。往复式活塞发动机是一种内燃机，由气缸、活塞、连杆、曲轴、机匣和汽化器等组
成。它的工作原理是燃料与空气的混合气在气缸内爆燃，产生的高温高压气体对活塞做功，推动活塞运动，并通过连杆带动曲轴转动，将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动。曲轴的转动带动螺旋桨旋转，驱动无人机飞行。整个工作过程包括吸气、压缩、做功和排气四个环节，不断循环往复地进行，使发动机连续运转。
标称空载KV值电机KV值定义为“转速/伏特”，意思为输入电压增加1V，无刷电机空转转速增加的
转速值。例如，1000kv电机，外加1v电压，电机空转时每分钟转1000转，外加2v电压，电机空转就2000转了。单从KV值，不可以评价电机的好坏，因为不同KV值有不同的适用不同尺寸的浆绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，但扭力大，上大尺寸的浆；绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，但扭力小，上小尺寸的浆。
固定翼无人机的结构组成
3、尾翼
尾翼是用来配平、稳定和操作固定翼无人机飞行的部件，通常包括垂直尾翼（垂尾）和水平尾翼（平尾）两部分。
水平尾翼由水平安定面和升降舵组成，通常情况下水平安定面是固定的，升降舵是可动的。垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。方向舵用于控制飞机的横向运动，升降舵用于控制飞机的纵向运动。尾翼的形状也是多种多样的，选择尾翼形状，首先要考虑的是能获得最大效能的空气动力，并在保证强度的前提下，尽量使结构简单、质量轻。
多旋翼无人机的构成
5、动力电源—电池
电池是将化学能转化成电能的装置。在整个飞行系统中，电池作为能源储备，为整个动力系统和其他电子设备提供电力来源。目前在多旋翼飞行器上，一般采用普通锂电池或者智能锂电池等。

一种低成本、高集成度的微型无人机组合导航系统设计

杨华冰
（河南省军区郑州４５００１４）
摘
要
微型导航系统是微型无人机的关键核心技术之一。论文着眼微型无人机导航系统一体化、小型化、综合化的发展趋势，基于低
成本、高集成度的惯性测量单元ＡＤＩＳ１６４０５和ＧＰＳ全球定位系统，以国产ＡＲＭ微处理器为导航计算核心，提出了一种新的捷联惯导系统／ＧＰＳ组合导航系统设计方法。通过对导航算法的研究，硬件及软件的设计，研制了一套体积小、精度高、实时性强的组合导航系统，较好地满足了某微型无人机的需求。室内试验和车载实验均表明该系统导航精度高、性能稳定可靠。
ＣｌａｓｓＮｕｍｂｅｒＰ２２８
ｌ引言
微型无人机因具有体积小、重量轻、携带方便、隐蔽性
Hale Waihona Puke 受干扰、数据更新频率低，单独使用也难以满足高速、实时导航的要求。因此，利用二者优势，组合成可长时间工作、
ＡｂｓｔｒａｃｔＭｉｃｒｏｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆＭｉｃｒｏＵＡＶｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．ｆｏｃｕｓｉｎｇｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐ

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无人机动平台组合导航系统
程虹霞，骆云志
（国兵器工业第五八研究所军品部，四川绵阳６１０）中２００
摘要：以无人机动平台的组合导航系统为对象，根据无人机动平台导航的高精度的使用要求，运用导航定位系统整体设计思想，对组合导航系统进行原理分析，组建了机动平台组合导航系统的系统模型，并基于联邦卡尔曼滤
ＵｎａｎｄＭｏｉａｆｒ ’ ＩｔｇａｅｖｇｔｏｙｔｍｍｎｅｂｌＰｌｔｏｍｓｎｅｒｔｄＮａｉａｉｎＳｓｅｅ
ＣＨＥＮＧｎ — ｉ，ＨｏｇｘａＬＵＯｎｚｉＹｕ — ｈ
（ｐ．ｆｍａｎｒｄｃｓＮｏ５ｅｅｒｈＩｓｉｔｏｈｎｒｎｎｅＩｄｓｉｓＭｉｎａｇ６１０，ｈｎ）ＤｅｔｏＡｒｍｅｔｏｕｔ，．８ＲｓａｃｔｕｅｆｉａＯｄａｃｎｕｔｅ，ａｙｎ２００ＣｉａＰｎｔＣｒ
Ａｂｔｃ：ａｉｇｉｔｇａｅａｉａｉｎｓｓｅｏｎｎｅｂｌｌｔｒａｈｂｅｔＢｓｓｉｈｐｅｉｉｎｒｑｅｔｓａｔＴｋｎｅｒｔｄｎｖｇｔｙｔｍｆｍａｎｄｍｏｉｐａｆｍｓｅｏｊｃ．ａｅｇ－ｒｃｓｏｅｕｓｒｎｏｕｅｏｔｈ
ｆｓｏａｉａｉｎｕｉｇｔｅｋｌｎｆｌｒｎｅｈｏｏｙＥｐｒｍｅｔｓｏｈｔｈｙｔｍａｏｄｐｒｏｍａｃ，ｎｅｕｉｎｎｖｇｔｏｓｎｈａｍａｉｅｉｇｔｃｎｌｇ．ｘｅｉｎｈｗｓｔａｅｓｓｅｈｓｇｏｅｆｒｎｅａｄｍｅｔｔｔｔｅｕｍａｎｄｍｏｉｅｐａｆｒｓｎｖｇｔｎｈｎｎｅｂｌｌｔｏｍ‘ ａｉａｉ．ｏＫｅｗｏｄ：ｍａｎｄｍｏｉｌｔｏｍ；ｎｅｒｔｄｎｖｇｔｎ；ｌｎｆｌｒｙｒｓＵｎｎｅｂｌｐａｆｒＩｔｇａｅａｉａｉｅｏＫａｍａｉｔｅ
ｏｌｔｏｍａｉａｉｎａｄａｏｔｇｔｅｗｈｌｙｔｍｈｏｙｈａｈｍａｉａｏｅｆｉｔｇａｅａｉａｉｎｓｔｍｓｆｐａｆｒｎｖｇｔｏｎｄｐｉｈｏｅｓｓｅｔｅｒ，ｔｅｍｔｅｔｃｌｍｄｌｏｎｅｒｔｄｎｖｇｔｏｙｓｅｉｎｅｔｂｉｈｄａｔｒａａｙｉｇｉｒｎｉｌ．ＲｅｌｅｎｎｅｓａｌｓｅｆｅｎｌｚｎｔｐｉｃｐｅａｉｄｕｍａｎｄｍｏｉｅｐａｆｒｉｔｇａｅａｉａｉｎＳｈｇｒｃｓｏａｅｚｂｌｌｔｏｍｎｅｒｔｄｎｖｇｔｏ ’ ｉｈｐｅｉｉｎｄｔ
兵工自动化
・７・０
２０００１．２
ＯｒａｃｎｕｓｒｔｍａｉｄｎｎｅＩｄｔｙＡｕｏｔｏｎ
２（）９２
ｄｉ１．９９ｊｓｎ１０・５６２１．２０３ｏ：０３６／．ｓ．６１７．０００．２ｉ０
组合导航系统
如何提高导航系统的精度和可靠性成为一项具有重
要现实意义的课题。目前，尚没有导航方式能够同时满足精度与可靠性的要求【，须进行组合导航。２】组合导航系统是将机动载体上的某些或全部导航设
０引言
高精度导航信息将使作战单位能按照指挥员的
意图，在准确的时间出现在精确的地点，这是新型作战思想的要求ｌ。因此，在高技术现代战争中，】】
卡尔曼滤波器的信息融合算法的设计，是整个组合系统的核心部分，于实时地估计系统的误差状态，用然后依据最小均方误差估计的控制规律，对惯性导航系统进行反馈修正，从而提高系统的导航精度。
ｌ
．
１迹算统ＩＧＳ航系ＩＩ航推系ｌ导统 — ＰｃBiblioteka 肇．．
备组合成一个统一的系统，利用两种或两种以上的
波的信息融合技术，最终实现了无人机动平台组合导航系统的高精度数据融合导航。实验证明，该导航系统性能良
好，能够满足无人机动平台的导航需要。关键词：无人机动平台；组合导航；卡尔曼滤波中图分类号：Ｔ６．Ｎ９７１文献标识码：Ａ