（控制科学与工程专业论文）无人直升机状态估计算法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 无人直升机( u h ) 的稳定控制、定位、跟踪、导航需要u h 对自身状态有准 确的认识，从而使得u h 状态估计问题成为u h 研究中的一个研究热点而倍受关注。 本文针对u h 状态估计问题展开了研究。 u h 动力学模型是估计u h 状态的基础，我们采用机理建模方法建立了u h 动 力学模型。在建模过程中，综合考虑了模型复杂度与模型准确性间的矛盾，引入 了一些合理假设，既简化了建模过程又保证了模型精度。建模时着重建立了主旋 翼、贝尔希勒翼、尾翼、发动机所产生的力力矩计算模型，同时，分析了陀螺效 应对u h 机体所受到的外力矩的影响，并建立了贝尔希勒翼挥舞平衡方程。最后， 考虑了噪声对模型的影响，建立了简化的u h 动力学模型。 u h 模型是随机非线性的，u h 状态只能使用非线性滤波算法来估计。本文分 析了广义卡尔曼滤波算法( e k f ) 和s i g m a 点卡尔曼滤波算法( s p k f ) 的滤波效 果，最终发现，理论上，e k f 算法和s p k f 算法的滤波效果相当。由于s p k f 算法 不需计算雅可比矩阵，因此，s p k f 算法更适于估计u h 状态。最后，本文把s p k f 算法应用于u h 状态估计问题，仿真结果表明使用s p k f 算法能够实现对u h 状态 的估计。同时，比较了e k f 算法和s p k f 算法的滤波效果，仿真结果再次表明e k f 算法和s p k f 算法的滤波效果相当，进一步验证了e k f 算法和s p k f 算法滤波效 果理论分析结论的正确性。 实际应用中，模型中的噪声统计特性可能是部分已知、近似已知或完全未知的， 此时，需使用自适应卡尔曼滤波算法( 舢江) 来估计u h 状态。然而，由于a k f 算法的收敛性证明一直悬而未决，从而导致了该算法的应用受到了极大的限制。 为此，借鉴鲁棒卡尔曼滤波算法( 砌江) 中状态估计误差协方差矩阵有上界的设 计思想提出了a k f 算法的弱收敛性概念，并提出了一系列实用的a k f 算法弱收 敛条件，其中，一些条件既可用于判断a k f 算法弱收敛性，又可用于设计弱收敛 自适应卡尔曼滤波算法( w c 舢 ) 。最后，基于a k f 算法的弱收敛条件设计了 一种w c - a k f 算法，并把该算法应用于u h 状态估计问题，仿真结果表明使用 w c a k f 算法能够实现对u h 状态的估计。 分析s p k f 算法和w c - a k f 算法，可以发现，这些算法中存在一些自由参数， 这些参数影响着它们的滤波效果，显然，可通过设计优化的滤波算法来提高s p k f 算法和w c a k f 算法的滤波效果。在设计优化的滤波算法时，目标函数的选择非 常重要，本文设计了两种目标函数，并证明了这两种目标函数是最优的。从实际 应用出发，把上述目标函数应用于s p k f 算法和w c a k f 算法中，分别设计了一 种优化的s i g m a 点卡尔曼滤波算法( o s p k f ) 和一种优化的弱收敛自适应卡尔曼 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 滤波算法( o w c a k f ) ，其中，o s p k f 算法j j 于处理噪卢统计特性已知系统， o w c a k f 算法用于处理噪声统计特性未知系统。由于o s p k f 算法和o w c a k f 算法的权值基于最优目标函数更新，因此，它们能够得到系统真实状态的较优估 计值。最后，把o s p k f 算法和o w c a k f 算法应用于u h 状态估计问题，仿真结 果表明使用o s p k f 算法和o w c a k f 算法能够实现对u h 状态的估计。 主题词：无人直升机，贝尔希勒翼，动力学模型，非线性滤波算法，自适应 卡尔曼滤波算法，收敛性，滤波算法优化，目标函数 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a bs t r a c t t 1 1 i st h e s i st r i e st og i v eas y s t e m i cr e s e a r c ho nt h es t a t ee s t i m a t i o no fa l lu n m a n n e d h e l i c o p t e r ( u h ) ，w h i c hi sh e a v i l yr e q u i r e df o ra l m o s ta l lr e a lt a s k s ，s u c ha ss t a b l y a u t o m a t i cc o n t r o l ，n a v i g a t i o n , s e l fp o s i t i o n i n g ，a n dt a r g e tt r a c k i n g o n eo ff o u n d a t i o i l sf o rt h es t a t ee s t i m a t i o ni st h ed y n a m i cm o d e lo ft h eu hw h i c h i su s e da sa l le x p e r i m e n t a lp l a t f o r m at h e o r e t i ca p p r o a c hw a sa d o p t e dt ob u i l dt h e m o d e l s o m er e a s o n a b l ea s s u m p t i o n sw e r ei n t r o d u c e dt om a k eab a l a n c eb e t w e e n m o d e l sc o m p l e x i t i e sa n da c c u r a c y f o r c e sa n dm o m e n t so ft h em a i nr o t o r , t h e b e l l h i l l e rf l y b a r t h et a i lr o t o r , a n dt h ee n g i n ew e r eh i g h l i g h t e d m e a n w h i l e , t h e p r e c e s s i o ne f f e c tt oe x t e r n a lm o m e n t so nt h eu hw a sa n a l y z e d ，a n dt h ef l y b a r s t a b i l i z i n ge q u a t i o nw a sb u i l t a tl a s t ，as i m p l i f i e du hd y n a m i cm o d e lw a so b t a i n e d a f t e ra d d i n gn o i s e s i n c et h eu hm o d e li ss t o c h a s t i ca n dn o n l i n e a r , o n l yn o n l i n e a rf i l t e r sc a nb e a d o p t e dt oe s t i m a t ei t ss t a t e i nt h i st h e s i s ，t h ee s t i m a t i o na c c u r a c yo ft h es i g m a - p o i n t s k a l m a nf i l t e r ( s p k f ) a n dt h ee x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ( e r d qw a st h o r o u g h l ya n a l y z e d t h e o r e t i ca n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h es p k fp r e s e n t st h es a m ee s t i m a t i o na c c u r a c y 嬲t h e e k f b e c a u s ed e r i v i n gj a c o b i a n si se l i m i n a t e di nt h es p k f ，t h es p k fi sm o r es u i t a b l e t ob eu s e dt oe s t i m a t et h es t a t eo ft h eu ht h a nt h ee k f a tl a s t ，w ea p p l i e dt h es p k ft 0 e s t i m a t et h es t a t eo ft h eu hb ys i m u l a t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h es p k f c o u l ds u c c e s s f u l l ye s t i m a t et h es t a t eo ft h eu h a tt h es a m et i m e ，as a m ec o n c l u s i o no n t h ee s t i m a t i o na c c u r a c yo f t h e s ef i l t e r sw a sa l s oc o m eb ya n a l y z i n gs i m u l a t i o nr e s u l t so f t h ee k fa n dt h es p k f i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，b e c a u s es t a t i s t i cc h a r a c t e r so fn o i s ee m b e d d e di nt h e d y n a m i cm o d e lm a yb ep a r t i a l l yk n o w n ，a p p r o x i m a t e ，o rt o t a l l yu n k n o w n , a d a p t i v e k a l m a nf i l t e r s ( a k f ) s h o u l db ea d o p t e dt oe s t i m a t et h es t a t eo ft h eu h h o w e v e r , a p p l i c a t i o n so f 脚sa r er e s t r i c t e dd u et ot h e i ru n p r o v e dc o n v e r g e n c e t oe s c a p ef r o m t h i sl i m i t a t i o n , w ep r o p o s e dt h ec o n c e p to ft h ew e a kc o n v e r g e n c ei na k f sb a s e do nt h e i d e at h a tt h ec o v a r i a n c em a t r i xo fs t a t ee s t i m a t i o ne r r o rs h o u l do w nas u p e r i o rb o u n d t h e r e b y , as e r i e so fp r a c t i c a lj u d g m e n tr o l e so nt h ew e a kc o n v e r g e n c eo fa k f sw e r e g i v e n s o m eo ft h er u l e sc a nb eu s e db o t hf o rj u d g i n gt h ew e a kc o n v e r g e n c eo fa na k f a n df o rd e s i g n i n gaw e a kc o n v e r g e n ta d a p t i v ek a l m a nf i l t e r ( w c a k f ) n a t u r a l l y ，a w c a k fb a s e do l ls u c hw e a kc o n v e r g e n c er u l e sw a sp r o p o s e da n di m p l e m e n t e df o r e s t i m a t i n gt h es t a t eo ft h eu h n l es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h ew c a k fc o u l d s u c c e s s f u l l ye s t i m a t et h es t a t eo ft h eu h o b s e r v i n gt h es p k fa n dt h ew c a k f w ec a l lf i n ds o m ef r e ep a r a m e t e r se x i s ti n t h e m , w h i c hi n f l u e n c et h ee s t i m a t i o na c c u r a c y o b v i o u s l y ，t h ee s t i m a t i o na c c u r a c yo f t h es p k fa n dt h ew c a k fc a nb ei m p r o v e db yp r o p e r l ys e l e c t i n gt h e s ep a r a m e t e r s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 w h i c hl e a d st op a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n o n ec r i t i c a li s s u ei np a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ni s h o wt os e l e c tt h ec o s tf u n c t i o n w ep r o p o s e dt w ok i n d so fc o s tf u n c t i o n s a n dp r o v e d t h a t t 1 1 e yw e r eb o t ho p t i m a l a d o p t i n gt h e s ec o s tf u n c t i o n si nt h es p k fa n dt h e w c a k f ，t h eo p t i m i z e ds p k f ( o s p k f ) a n dt h eo p t i m i z e dw c - a k f ( o w c u 江) w e r er e s p e c t i v e l yd e s i g n e d t h eo s p k fc a nb eu s e dt od e a lw i t hs y s t e m sw h o s en o i s e c h a r a c t e r sa r ek n o w n , a n dt h e0 w c 燃c a nb eu s e dt od e a lw i t hs y s t e m sw h o s en o i s e c h a r a c t e r sa l eu n k n o w n s i n c ew e i g h t si nt h e ma r eu p d a t e da c c o r d i n gt ot h eo p t i m a l c o s tf u n c t i o n , t h em o r ea c c u r a t ee s t i m a t i o nm a yb eo b t a i n e d a tl a s t , w ea p p l i e dt h e s e f i l t e r st oe s t i m a t et h es t a t eo ft h eu hb ys i m u l a t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h e o s p k fa n dt h e0 w c a k fc o u l ds u c c e s s f u l l ye s t i m a t et h es t a t eo ft h eu h k e yw o r d s ：u n m a n n e dh e l i c o p t e r ，b e l l - h i l l e rf 1 y b a r , d y n a m i cm o d e l ，n o n l i n e a r f i l t e r , a d a p t i v ek a l m a nf i l t e r , c o n v e r g e n c e ，o p t i m i z a t i o n ，c o s tf u n c t i o n 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表2 1u h 模型中的一些物理参数3 5 表4 1w c a k f 算法计算流程7 5 表5 1m m - a k f 算法计算流程8 2 表5 2g a a k f 算法计算流程8 3 表5 3o s p k f 算法计算流程8 9 表5 4o w c a k f 算法计算流程9 l 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图 图 图 7 8 9 图1 1 0 图1 1 l 图1 1 2 图1 1 3 图1 1 4 图1 1 5 图1 1 6 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图目录 c y p h e ru h 4 e a g l e e y eu h 4 f i r e - s c o u tu h 5 h u m m i n g b i r du h 6 l i t t l e b i r du h 6 d r a g o n f l y u h 6 a u t o c o p t e ru h 6 k a 3 7u h 7 k a - 13 7u h 7 s c a m o su h 7 o r k a 1 2 0 0u h 。7 s h a r eu h 7 c a m c o p t e r u h 8 s 10 0u h 8 c l 3 2 7u h 8 u h 系统结构。l l s h u t t l ep l u s3 0 级油动模型直升机2 2 n e s 5 7 7 5 3 7 舵机2 2 g y 2 4 0 陀螺仪2 2 u h 系统结构2 3 u h 系统实物2 3 控制信号切换系统结构。2 3 机载控制系统结构2 4 地面控制系统结构。2 4 j z 8 7 3 型小功率无线数传模块2 4 m t i g 微型a h r s 传感器2 5 p c m 3 3 7 0 型小板机2 5 水平地理坐标系2 5 u h 体坐标系2 5 主旋翼坐标系2 6 贝尔希勒翼坐标系2 6 尾翼坐标系2 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = i i i -一= 一 i = = = = = = = = 图2 17叶素2 7 图3 1分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线5 8 图3 2 分量，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线5 8 图3 3分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线5 8 图3 4分量y k 绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线5 9 图3 5 分量1 ，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线5 9 图3 6 分量1 ，在绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线5 9 图3 7 分量婊。绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线6 0 图3 8 分量纨，绝对偏差平均值曲线图和平均值差异曲线6 0 图3 9 分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线6 0 图3 1 0 分量矽绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线6 l 图3 1 1分量9 绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线6 1 图3 1 2 分量沙绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线6 l 图4 1分量矗绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线7 6 图4 2 分量，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线7 6 图4 3 分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线7 7 图4 4 分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线7 7 图4 5 分量v 。，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线7 7 图4 6 分量v b 绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线7 8 图4 7 分量纯，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线7 8 图4 8分量纨，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线7 8 图4 9 分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线7 9 图4 1 0 分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线7 9 图4 11分量秒绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线。7 9 图4 1 2 分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线8 0 图5 1分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线9 5 图5 2 分量名绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线9 5 图5 3 分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线9 5 图5 4 分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线9 6 图5 5 分量，。，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线9 6 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 l 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 分量y ，绝刘偏差、r 均值曲线和f 均值差异曲线一9 6 分量魄，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线9 7 分量纨，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线9 7 分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线9 7 分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线9 8 分量秒绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线9 8 分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线9 8 分量矗绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线1 0 1 分量，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线1 0 1 分量名绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线1 0 2 分量v 绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线1 0 2 分量1 ，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线1 0 2 分量，。绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线1 0 3 分量魄，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线1 0 3 分量纨，绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线1 0 3 分量髓k 绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线1 0 4 分量绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线1 0 4 分量口绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线1 0 4 分量缈绝对偏差平均值曲线和平均值差异曲线1 0 5 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：丞厶童盘扭迭奎鱼过簋洼班壅 fj v 学位论文作者签名：圭垫叁日期：z 口og 年? 月2 3 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王吏久 作者指导教师签名- 鱼塞缕 日期：z o o 各年7 月2 3 日 魄舻年7 月莎日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 无人机概述 无人机( u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e , u a v ) 是一种有动力、可控制、能携带多 种设备、能执行多种任务且可重复使用的无人驾驶航空器【1 1 。目前，从事u a v 研 究和生产的国家主要有美国、俄罗斯、以色列、法国、英国、南非等近3 0 个国家， 已研制出3 0 0 多种u a v 机型【i 】。u a v 的特点是结构简单、体积小、质量轻、机动 性好、飞行时间长、成本低、便于隐蔽、无需机场跑道、可多次回收重复使用、 可作超越飞行员生理极限的高速飞行、可深入被核生化污染地区的上空探测取样、 可执行危险性极大的作战任务、能最大限度的避免人员伤亡等【2 】。目前，u a v 主 要用于军事领域，它可完成侦察、监视、通信中继、电子对抗、火力制导、作战 评估、骚扰、诱惑、对地( 海) 攻击、目标模拟和早期预警等任务。u a v 所具有 的上述优点及作用在伊拉克战争中得到了完美体现，u a v 在伊拉克战争中发挥的 巨大作用引起了世界各国军方的普遍关注。可以预见，u a v 在未来战场上的用途 将越来越大，它必定会成为世界各国武器装备研究发展的重点，而且会有越来越 多的国家装备u a v 。 随着u a v 在战场上的广泛使用，u a v 技术将不断成熟，未来u a v 的发展趋 势主要有以下几方面。 向多功能、模块化方向发展【3 】。 随着计算机技术、电子技术、精密加工技术的迅速发展，u a v 部件模块 化、通用化、系列化将成为可能。在系统设计时，优化内部结构，采用 模块化技术制作机载设备，并根据具体任务需求更换机载设备，执行不 同任务，实现u a v 的一机多能、一机多用。 向高空、长航时方向发展 4 1 。 小型短程u a v 适合执行近距离战场侦察、目标指示、火力校准等任务， 但很难满足电子对抗、电子侦听等任务需求，另外，小型短程u a v 还存 在有效载荷小、续航时间短等问题，发展高空、长航时u a v 是必然趋势。 向小型化、微型化方向发展【3 5 1 。 随着计算机技术、纳米技术、精密加工技术的迅速发展，利用纳米技术 可把传感器、电机等装置集成在一块芯片上制造出几厘米甚至更小的微 型装置，从而使得制造小型、微型u a v 成为可能。小型、微型u a v 除 具有普通u a v 的优点外，还具有造价低廉、尺寸小、难于探测、难于摧 毁、应用灵活等优点，因此，小型、微型u a v 已引起了各国的普遍关注， 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 它的迅速发展和大量使用将刘未来信息化战争产生重大影响。 向隐形化方向发展【6 j 。 为了应付日益增强的地面防空火力威胁、提高u a v 的生存率，许多先进 隐形技术被应用到u a v 的研制上。这些隐形技术大致可分五类：1 采用 复合材料降低u a v 被探测概率；2 采用红外光反射限制技术降低u a v 被探测概率；3 通过减小u a v 雷达反射截面来降低u a v 被探测概率： 4 采用抗雷达侦察措施降低u a v 被探测概率；5 采用等离子隐形技术降 低u a v 被探测概率。为了保证u a v 在战场环境下能够有效生存，u a v 隐形化必将成为其重点发展方向之一。 向智能化方向发展【7 j 。 在美军发动的一系列局部战争中，尽管u a v 在作战中优势明显、作用突 出，但也存在一些弱点，如无法识别敌我目标、不具备隔离排除突发故 障的能力、与操作人员交流困难等，因此，必须增强u a v 的智能性，使 u a v 具有目标识别能力和自主避障能力，以保证其他飞行器的安全。 向无人战斗机方向发展【6 8 】。 无人战斗机( u n m a n n e dc o m b a ta e r i a lv e h i c l e ，u c a v ) 是下一代战斗机 发展方向之一，u c a v 主要有反雷达型、拦截型、反坦克型、反潜型、 轰炸型、格斗型等几种类型。各国u c a v 设计构想大多处于研制和试验 阶段，u c a v 没有驾驶舱及相关救生设备，能有效降低飞机质量和成本， 还能大大放宽飞机设计中的一些限制( 如发动机的安装位置可更加合理， 飞机过载可更大等) 。随着u c a v 的研制成功，u a v 将从作战支援装备 升级为主要作战装备，从而可能改变未来空战样式、作战原则和作战思 想等。 向集群编队方向发展【9 1 。 u a v 集群编队是指一次部署两套以上u a v 形成u a v 集群，u a v 集群 中各平台独立控制、能相互通信、能协作完成预定任务。由于u a v 集群 是通过协作方式完成预定任务的，因此，集群中各u a v 平台功能相对简 单、控制相对容易、平台相对较小。对于一个u a v 集群，各u a v 平台 分布较分散，很难全部摧毁，且摧毁代价较高；另外，即使集群中某些 “ 平台被摧毁，也不会影响集群完成预定任务，从而提高了任务成功完成 概率。目前，美军已进行多次u a v 集群编队实验，已初步具备组织u a v 集群实施战术打击能力，相信在不久的将来美军的u a v 集群编队将会用 于实战。 向无人直升机方向发展【1 0 1 1 】。 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 无人直升机( u n m a n n e dh e l i c o p t e r , u h ) 体秘小、质量轻，雷达、红外和 声隐身性能好，行动适应性强，可在狭窄的场地上起降，具有良好的超 低空和贴地飞行能力，对其探测和跟踪十分困难。u h 既可对热点地区进 行全天候侦察、监视，也可对地攻击、空中格斗、拦截导弹、实施精确 打击和自杀性攻击。过去几十年里，世界各国研制装备了大量u a v ，但 研制装备的u h 却为数不多，这是因为当时的技术水平有限，研制具有自 主飞行能力的u h 技术难度较大。近年来，微电子、复合材料、航空发动 机和机载导航等技术的迅速发展使得u h 平台质量不断减轻、有效载荷不 断提高、单机价格不断下降、自主导航控制能力不断增强，从而为u h 的快速发展奠定了坚实的技术基础。目前，欧美各国已加快了u h 研制步 伐，中国也在u h 研制方面储备了大量的技术和经验。可以预见，在2 0 1 0 年左右，u h 将在u a v 家族中占据重要地位。 本文紧跟国际u a v 发展趋势，对u h 状态估计问题进行深入研究，解决u h 位姿估计问题，为u h 系统中控制算法设计奠定基础。本文是构建自主智能u h 系 统的先导性工作，在提高我国u h 研究水平、节约u h 成本、增强u h 控制稳定性、 提高u h 导航控制精度等方面具有重要作用。 1 2u h 研究现状及系统结构 1 2 1u h 研究现状 目前，世界上主要有美国、俄罗斯、德国、英国、奥地利、加拿大、日本、 中国等国家正在研制和生产u h ，下面，分别介绍各个国家u h 的研究现状。 美国早在1 9 6 0 年左右就已开始使用q h 5 0u h 用于反潜作战。由于q h 5 0 事 故率高且价格昂贵，美国于1 9 7 0 年左右停止使用和生产q h 5 0 ，此后2 0 年时间 内美国在u h 研制和生产方面一直停滞不前【1 2 1 。近年来，美国加快了u h 研制步 伐，取得了丰硕成果。 美国s i k o r s k y 公司于1 9 8 6 年开始研制c y p h e r u h 呸1 3 】( 图1 1 ) 。第一架c y p h e r 技术验证机于1 9 9 2 年进行系留试飞，1 9 9 3 年进行自由飞行，1 9 9 4 年实现了自主 飞行。c y p h e r 机体呈圆环型，采用涵道式结构，两副旋翼共轴置于涵道中。c y p h e r 旋翼直径1 2 米、长0 6 米、高2 米、最大起飞质量1 1 3 千克、有效载荷2 3 千克、 最大飞行速度1 2 1 千米d , 时、升限2 4 4 0 米、活动半径8 0 千米、续航时间3 小时。 c y p h e r 可搭载光电传感器、红外传感器、小型雷达、化学探测器、磁测仪等设备。 美国s a i c 公司( s c i e n c ea p p l i c a t i o n si n t e r n a t i o n a lc o r p o r a t i o n ) 于1 9 9 7 年开 始研制v i # l a n t eu h 1 3 】。v i g i l a n t e 是在u l t r a s p o r t4 9 6 运动直升机基础上改装而成 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 的，大量采用了成品件。v i g i l a n t e 可遥控飞行也可自主飞行，还可有人驾驶飞行。 v i g i l a n t e 旋翼由两片桨叶构成，旋翼直径7 0 米，最大起飞质量4 9 2 千克，有效载 荷8 3 千克。最长续航时间1 6 小时，展太平飞速度2 5 0 千米d , 时。 图i1 c , p h 订u h 美国b e l l h e l i c o p t e r 公司于1 9 9 0 年左右开始研制e a g i e - e y e u h 旧”1 ( 图12 ) 。 e a g i e e y e 是一种可倾转旋翼的垂直起降无人飞行器，于2 0 0 6 年1 月首次实现了 垂直起飞和悬停。e a g l e e y e 旋翼直径2 5 米、最大起飞质量1 0 2 0 千克、最大飞行 速度3 7 0 千米4 时、有效载荷1 3 6 千克、使用升限6 1 0 0 米、最大续航时问6 小 时。e a g i e - e y e 主要由预编程序控制飞行，采用惯性或g p s 系统导航，可搭载电视 摄像机、激光指示器、红外热成像仪、合成孔径雷达等设备。 图1 2e a r , e y e u h 美国n o r t h r o p g l u m r n a l 公司研制的f 打e - s c o u t u h 【l2 “1 ( 图l3 ) 于2 0 0 0 年1 月实现了首次无人飞行，于2 0 0 0 年1 1 月实现了自主飞行，于2 0 0 5 年7 月成功试 射了2 枚m k 6 6 型无制导火箭弹，于2 0 0 6 年1 月在n a s h v i l l e ( l p d l 3 ) 舰上实现 了自主着舰，于2 0 0 7 年3 月集成了战术通用数据链，计划于2 0 0 8 年年底取得初 始作战能力。f i r e - s c o u t 旋翼直径8 3 8 米、长69 8 米、高28 7 米、最大起飞质量 1 1 5 6 千克、空重6 6 1 千克、燃油质量3 8 5 千克、晟大有效载荷9 1 千克、昂大飞行 速度2 3 2 千米，j 、时、升限6 1 0 0 米、活动半径2 0 0 千米、续航时间6 小时。f i r 昏s c o u t 可措载光电红外传感器、激光目标指示器、测距仪、昼问电视摄像机、红外扫描 仪、合成孔径雷达等设备，还可携带h e l l f i r e 导弹和7 0 毫米h y d r a 火箭弹等武器。 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 f i r e - s c o u t 行动适应性强，可在狭窄场地和舰船上垂直起降，能全自主飞行，具有 良好超低空和贴地飞行能力。f i r e - s c o u t 噪音小、结构尺寸小巧，空中行动很难被 察觉。 挚警瑟 图l3 f i r e s c o u t u h 美国b o e i n g 公司于1 9 9 8 年初开始研制h u m m i n g b i r d u h ( 图14 ) ，并于2 0 0 0 年l o 月首次试飞。h u n u m n g b i r d 飞行距离5 5 6 0 千米、续航时间4 8 小时、有效载 荷1 3 6 千克、悬停高度4 5 7 0 米、巡航高度1 0 0 0 0 米、最大前飞速度2 6 0 千米d 时可携带光电红外传感器和合成孔径雷达等设备。h 珊1 m i i i g b i r d 采用内燃发动 机驱动、桨叶采用碳纤维结构制造、采用无铰刚性旋翼、旋翼转速可基于机体质 量自动调整，这些技术显著提高了其低速和小质量时的空气动力效率从而使得 该u h 具有噪音低、航程远、尺寸小、续航时间长等特点。另外，b o e i n g 公司还 于2 0 0 3 年1 0 月启动了l i t t l e - b i r d u h ( 图15 ) 研制计划，并于2 0 0 4 年4 月首飞。 2 0 0 4 年l o 月，l i t t l e - b i r d 完成了自主起飞和着陆实验。l i t t l e - b i r d 使用m d 5 3 0 f 民用直升机作为平台，携带1 3 5 千克有效载荷时可连续飞行1 0 小时，携带4 5 5 千 克有效载荷时可连续飞行6 - - 8 小时。l i t t l e - b i r d 具备舰载相容性，具有一条联接地 面站的战术通用数据链，它可遥控飞行也可自主飞行。2 0 0 3 年1 2 月，b o e i n g 公司 还完成了d r a g o n f l yu f i ( 图l6 ) 的首次悬停试飞。d r a g o n f l y 是一种鸭式旋翼固 定翼无人机，它既具有直升机的垂直起降和空中悬停能力又具有固定翼飞机的高 速巡航飞行能力。d r a g o n f l y 长5 4 米、高2 米、重6 6 0 千克、机身前部的前翼翼 展27 1 米、机身后部的水平尾翼翼展2 4 7 米、机身中部的旋翼直径