无人机多传感器数据融合的要求

第36卷第5期201

5

年10月

国防科技

NATIONALDEFENSESCIENCE&TECHNOLOGY

Vol．36，No．5Oct.2015

无人机多传感器数据融合的设计要求

李念国,赵

（92419部队，辽宁

兴城

慧

125106）

[摘要]

无人机在程控飞行状态下，其飞控系统要具有较高精度的飞行参数，才能使无人机安全飞行。传感器

是其采集数据的重要途径，然后单个传感器往往不能够提高高精度的数据，为程控飞行带来了不确定性。通过介绍系统传感器数据融理论，并推导了符合高度及姿态角精度要求的计算公式，梳理了应用该技术的方法和算法，进而对引入融合技术后的通道进行了分析。研究表明，通过MSDF技术，在不改变原结构的基础上，能进一步提高飞控系统的可靠性。

[关键词]

无人机；多传感器；数据融合；设计

[中图分类号]V249[文献标识码]A[文章编号]1671-4547（2015）05-0052-03

DOI：10.13943/j.issn1671-4547.2015.05.11

简称MSDF)。多个传感器可以在时间及空间领域

一、前言

无人机(UAV)在当今世界中得到越来越多的重视和关注,在未来的战场上必将成为关键武器之一[1]。飞控系统是无人机的重要组成部分,也是其核心部分，是否能够准确捕捉飞行状态信息，对无人机的性能至关重要。飞控系统由控制器、伺服机构、飞机对象及传感器组成，其反馈原理可由图1表示。无人机如果要实现更好的自主飞行，就对飞控系统提出了更高的要求，需要能够准确的获取无人机飞行时的各种信息[2]。然后，单个传感器很难实现这一点，为了更好的提高飞控系统的数据获取性能，有必要多个传感器共同工作，以保证数据的完整、准确。

数据融合的概念是上世纪70年代提出的，即多传感器数据融合(Multi-sensor

互相弥补、互相修正、互相完善，减少了工作盲区，提高了效率和可信性，增强了纠错能力。多传感器数据融合应用前景很广泛，已被应用于战斗机、直升机、无人机等平台，不但扩展了时间和空间，增加了数据维数，丰富了信息，同时提高了系统的可信度。数据融合的并行结构如图2所示。

图2数据融合并行结构图

为了提高信息采集的可靠性,将传感器数据融合设计应用于无人机飞控系统,要确保各项性能指标符合要求。在这个过程中，要综合考虑传感器提供的数据、工作原理等因素，尤其要注意飞控系统获取的各个信息的时效性,特别是高度精度和姿态精度

。

DataFusion，

图1

飞控系统反馈原理图

[收稿日期][作者简介]

2015-09-24

李念国，男，助理工程师，研究方向：飞行器设计。

李念国等：无人机多传感器数据融合的设计要求

53

二、姿态精度要求

(3.1)

为了更好地描述无人机的运动,应当选取合理的坐标系。无人机与地面的相对位置,通过地面坐标系Od-xdydzd表示；无人机的转动通过机体轴系

式中：xj、yj、zj无人机的三维坐标；

Oj-xjyjzj表示；无人机的位置变化通过速度轴系Os-xsyszs表示。地面坐标系原点为无人机的初始位

置，机体坐标系和速度坐标系原点均为无人机质心位置。无人机具有六个自由度，分别为三个方向的移动自由度和绕质心的三个转动自由度。三个姿态角分别为俯仰角φ、滚转角θ和偏航角ψ。为了描述姿态的变化情况，要知道三个轴系之间的转换关系，首先要将三个姿态角的变化率向Oj-

u、v、w无人机速度沿三轴的分量。

由于飞行标准高度，可进一步推得高度运动方程，如式（3.2）所示。

(3.2)

四、融合设计

多传感器融合技术，就是利用了各个传感器的优点，进而提高飞控系统的性能。以高度测量为例，高度传感器、无线电高度表、GPS各有长处和

xjyjzj上投影，得到式(2.1)。

(2.1)

不足。高度传感器取决于大气数据，虽然数据连续可靠，但是受大气压强影响很大；无线电高度表精度较高，但是受地形未知因素影响较大；GPS也有

式中：、、ψ三个姿态角的变化率；更新慢等不足。只有将三者合理的融合在一起，才能实现更优异的互补。同理，姿态控制受垂直陀螺和姿态控制系统的影响，情况类似。在未考虑融合设计的情况下，无人机飞控系统的高度通道及姿

p、q、r三个角速度分量。

根据式(2.1)求解出（、、ψ），得到无人机姿态运动方程，如式(2.2)所示。

(2.2)

无人机在飞行过程中，会不断地受到外界干扰，飞控的目的就是保证无人机克服外界干扰，保持无人机的姿态和高度，按照预定的姿态飞行。对照传感器的测量值与系统的预定值，控制无人机正常飞行。当因为某种原因，导致无人机姿态发生变化，传感器会反馈这一变化，并以电压变化等形式变现出来，由飞控感知信息，及时作出调整，达到良好的姿态控制效果。

图3

高度通道结构图

三、高度精度要求

无人机一般由高度传感器、无线电高度表和

图4姿态通道结构图

态通道如图3和图4所示。

当考虑融合设计时，不改变无人机的基本结构，在原飞控系统的基础上，增加融合中心，控制器部分由高度传感器来实现，能够对采集的信号进行合理的识别。增加融合中心后的高度和姿态通道的结构图如图5、图6所示。这种设计，

不会增

GPS传递高度信息。飞行高度一般有四种表示方

式[3]，分别为相对高度、气压高度、相对高度和真实高度。根据Od-xdydzd和Oj-xjyjzj，能推导出无人机的运动学方程，如式(3.1)所示。

54国防科技2015年第5期（总第294期）

加系统的硬件和成本，MSDF技术在飞控系统内就可实现。融合中心，就是综合考虑多个传感器采集的信息，以一种新的计算方法，提高数据的可信性。但是最终能够使得无人机读取这些信息，还需通过计算机语言体现出来，才能实现多个传感器

数据综合发挥作用。

五、结论

本文研究了MSDF理论并简要介绍了该技术应用在无人机飞控系统的基本思路，推导了符合高度及姿态角精度要求的计算公式，梳理了应用该技术的方法和算法。飞行高度及无人机姿态是飞行中的重要指标，直接影响到无人机的飞行安全，所以这些参数必须符合技术要求，并具有较高的精度，然而这些信息的准确采集又来源于传感器数据的融合计算，通过MSDF技术，不改变原结

图5

引入融合设计后的高度通道结构图

构，又能提高飞控系统的可靠性。

参考文献

[1][2]

图6引入融合设计后的姿态通道结构图

(英)威廉·普勒.透视中国国产军用无人机研究现

朱晓娟.飞行控制系统多传感器信息融合技术研樊尚春，吕俊芳，张庆荣，闫蓓.航空测试系统[M].

状[J].王咏梅,译.世界安全，2004(6).究[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[3]

北京：北京航空航天大学出版社，2005.

TheRequirementsontheDataFusionofMultiple-sensorofUAV

LINianguo,ZHAOHui

(No.92419Army,Xingcheng125106,China)

Abstract：ThecontrolsystemofUAV,incontrolledflight,needshigh-accuracyflightparametertoensuresafeflight.Sensoristheimportantsourceofdata.Butsinglesensorcannotprovidehigh-accuracydata,whichjeopardizesthesafetyofcontrolledflight.Thispaperintroducesthedatafusionofmultiple-sensor,deductstheformulationthatcancalculatetheheightandangelattherequiredaccuracy,analyzesre …… 此处隐藏：1823字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……