基于四元数EKF算法的小型无人机姿态估计

针对小型无人机设计的姿态测量系统,提出一种用于小型无人机姿态估计的四元数扩展Kalman滤波算法.该算法通过建立四元数姿态运动模型和航姿传感器测量模型,构建了以四元数和陀螺仪随机漂移为状态向量、以加速度计测量值和磁阻仪解算的航向角为观测向量的扩展Kalman滤波器,并设计了自适应测量噪声协方差矩阵修正法.实验结果表明,该算法不但解决了微机电系统惯性器件用于载体姿态测量时精度低、易发散、易被干扰的问题,而且显著减小了陀螺仪随机漂移对姿态估计的影响,有效提高了姿态估计的精度.     

面向本科生教育的无人机系统设计与综合实践教学探索

探索并建立一门理论结合实际的无人机系统设计与综合实践教学课程,对于办好无人机专业方向本科生教育具有十分重要的意义。该文结合本科生教育教学特点,提出了一种基于当下主流的开源软硬件思想和通用的机器人操作系统来构建无人机实验系统和实践环节的基本方法。介绍了基于开源软硬件构建多旋翼无人机实验系统的基本组成,并提出了无人机三轴姿态平台设计、无人机反恐侦察监视任务设计、无人机智能自主控制拓展实验设计三阶段实践教学设计方法。为无人机专业本科生融会贯通无人机原理与运用、无人机自主飞行控制、无人机任务规划、无人机地面站技术等专业理论知识提供了一种有效的实践教学方法。     

民用无人机交通管理体系架构及关键技术

民用无人机交通管理是无人机运行管理的核心。目前无人机交通管理的研究大都处于针对单一运行场景的策略制定和相关支撑技术方案的探讨和论证阶段,没有系统揭示无人机交通管理体系全貌和技术发展趋势。在分析国外民用无人机交通管理现状的基础上,设计了面向全谱系运行场景的民用无人机交通管理体系架构,涵盖典型运行场景、管理策略、运行生态。为支持无人机交通管理体系的实施,围绕无人机空域精细化管理、无人机运行安全与间隔管理、无人机交通引导与控制、无人机智能化设施规划与应用提出了11项关键技术,并分析了技术发展现状,总结了技术发展方向。研究结果表明：民用无人机交通管理应采用面向场景基于风险的分级分类管理策略,适应无人机运行生态的可持续发展需要;交通管理关键技术研究需考虑多场景、多类型、多阶段、交互性、大规模、高自主等因素,以安全、高效融入国家空域系统。     

无人机自主集群技术研究展望

 动态不确定环境和复杂任务决定了无人机系统势必朝着集群化、自主化和智能化方向发展,具备共识自主性的无人机集群可无需任何集中规划或直接通信完成复杂智能行为。从无人机自主性内涵出发,讨论了无人机自主集群的概念、特点、优势及可能的作战形式,从人机共融、变体设计、人工智能和集群对抗方面探讨了无人机自主集群的发展趋势及无人机集群应对反无人机技术的必要性,从军用和民用领域分析了无人机自主集群的可能应用前景,从战略规划、研发模式、系统协调、交叉学科、国防应用及市场培育等方面探讨了无人机自主集群技术的发展方向。     

炮射电动无人机总体概念设计方法研究

结合弹载体约束条件,建立了炮射电动无人机的概念设计方法. 推导了考虑电池质量约束条件下满足巡航时间下的最大载荷量和满足载荷要求下的最大巡航时间两种设计目标. 以直径为155mm的弹载体为例,提出了4种弹载折叠无人机布局方法并进行了概念设计. 比较了4种布局的优缺点,得出该口径的弹载体下的最大理论载荷量和最大理论巡航时间.     

基于增益自适应超螺旋滑模理论的无人机控制

以无人机为研究对象,针对无人机系统非线性强和飞行过程中外界干扰产生的不确定性,设计一种基于增益自适应滑模控制的无人机姿态控制器.该方法无需观测器对不确定性进行估计就可以实现对给定无人机姿态的跟踪控制,同时滑模控制中的抖振情况可以得到有效抑制.首先介绍无人机模型,给出其数学模型;其次,以误差为状态量,设计稳定收敛的滑模面,采用增益自适应超螺旋滑模算法设计能够有限时间收敛的无人机姿态控制器;再采用Lyapunov第二法证明闭环无人机系统的稳定性;最后对所提控制方法进行仿真验证.结果表明：该控制方法具有可靠的控制性能.     

无人机地面站的设计

通常在无人机的飞行中，能够实时的反应无人机的信息，针对上述情况研制了一种简单的无人机地面站软件，以Windows操作系统为平台，在Visual C ＋＋环境下设计实现的，实现了计算机对无人机的实时显示。实践证明，该系统测量精度高、稳定性好、抗干扰性强，具有一定的应用前景和使用价值。     

无人机赋能临海通信系统：机遇与挑战

无人机被广泛应用于各种商用/民用领域,并有望在未来十年带来巨大的价值和广阔的商机.在无线网络如4G/5G乃至6G及其新技术的支持下,无人机能够高效地完成空中监测、空中摄像、搜索和救援等任务.特别地,无人机作为空中通信平台/用户的相关应用是近几年的研究热点,而现有的大多数研究集中在陆地环境.本文针对临海通信系统,系统阐述无人机在涉海应用中的前景与挑战.首先介绍无人机类型及应用场景、通信链路和信道特性,然后讨论临海空间中无人机在方位部署、路径规划、能量效率、通信覆盖、干扰控制、远距离数据回传等方面的问题与机遇.最后考虑风对临海无人机通信的影响,以海上浮标数据收集为例,设计了一种无人机循环飞行轨迹,其能够主动适应/利用海风实现高效节能通信.通过系统介绍、问题凝练与案例分析,指引无人机赋能临海通信系统设计.     

电动多旋翼无人机转向能耗测试系统设计与试验

本文针对电动多旋翼无人机的能耗测试,设计了一种基于单片机的无人机转向能耗测试系统。该测试系统主要由角速度传感器,功率测量模块,无线通讯模块以及单片机等部分组成,并基于LabVIEW软件设计了上位机程序,以实现对测试过程数据的实时显示和保存。对系统进行试验表明：系统数据采集频率为100 Hz,电压测量精度为99.93 %,电流测量精度为99.87 %,转向角度测量精度为98.10 %,可见该系统测量精度较高,能满足电动多旋翼无人机转向能耗的测试及相关数据的获取。     

基于全阶观测器的无人机系统抗干扰控制

为探讨无人机系统抗干扰控制问题,利用T-S模糊模型描述非线性干扰,并设计全阶观测器分别观测外部干扰和无人机系统的状态,通过设计反馈控制器,实现了对干扰的有效估计和抑制,基于Lyapunov分析方法的无人机系统具有良好的稳定性和鲁棒性.仿真试验验证了算法的可行性与有效性.     

基于开源软件的无人机飞行仿真

飞行控制算法设计和仿真是无人机研制的关键步骤。为了缩短无人机飞行控制算法设计周期和试验成本,本文对无人机纵向和侧向控制算法进行了设计,并基于开源软件开发了固定翼无人机可视化的飞行仿真系统,对飞行控制算法进行仿真实验。仿真结果显示,飞行仿真系统实时且直观,通过对飞行仿真试验数据的综合分析,验证了飞行控制算法的有效性,该飞行仿真系统可广泛应用于无人机飞行控制算法的仿真验证。     

无人机与车辆协助下的分布式多任务边缘计算卸载算法

为满足密集分布用户的服务质量和体验质量,建立了车辆和无人机协助下的多接入边缘计算卸载模型,车辆、无人机和路边单元作为边缘节点,将不同的计算任务按需卸载到不同类型的边缘节点进行处理.设计了基于分布式匹配-贪婪算法的终端用户任务卸载方案以最小化系统功耗,并研究了用户数量和延迟容忍对卸载方案的影响.仿真结果表明:该方案在满足延迟约束的条件下降低了系统功耗,保证了用户的服务质量;特别是在人群密集分布的情况下,能有效提高中心用户的体验质量.     

无人机机载测量系统校准设备设计

为解决无人机使用单位机载陀螺尚无定量校准检测手段的难题,提出了无人机姿态半实物仿真校准方法和以程控转台作为无人机姿态角、角速率的测量标准的方案,设计了模拟飞机姿态空间角激励源、校准台以及干井式温度校验器、静压压力校验仪、差压压力校验仪等无人机机载测量系统校准设备。     

微型无人机稳定平台的设计

提出了一种微型无人机稳定平台的设计方法,可满足微型无人机对任务栽荷体积和质量达到稳定性和微型化的要求,可应用于机器人、无人机等稳定系统.     

特殊布局无人机多目标气动外形优化设计

从无人机外形设计的总体、气动设计要求出发,根据多目标优化的基本概念,将Pareto方法与遗传优化搜索相结合,并采用了群体排序、基于共享机制的小生境等技术,使解集具有良好分布特性。在此基础上建立了一套可满足无人机气动外形综合优化设计优化模型和优化方法。针对无人机外形优化设计要求,提出了复杂外形参数化和设计变量的选取原则。根据某无人机的设计要求,以亚声速和超声速气动特性为设计目标的无人机外形综合优化设计,取得了良好的优化设计结果。     

无人机无线能量传输网络多波束阵列设计与位置部署

针对无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)辅助的无线能量传输(wireless power transfer, WPT)系统，构建了一种能量波束设计以及无人机悬停位置部署的联合优化方案，以最大化所有用户接收的总能量。针对优化问题是非凸、难以直接求解的情况，提出一种联合优化多波束设计和无人机三维位置的迭代算法，利用巴特勒矩阵设计高增益、宽覆盖范围的能量多波束，利用穷举算法寻找无人机最优二维位置，通过单调性理论得到无人机的最佳悬停高度。仿真结果表明，所提出的算法能显著提升无线能量传输效率。     

基于北斗/GPRS/3G技术的无人机遥感网络体系关键技术研究

无人机遥感网络是继卫星遥感网和有人机航空遥感网之后的我国遥感技术体系的重要组成部分。但我国无人机遥感系统机型多、装备分散、应用面广,缺乏统筹规划,难以实现快速调度与合理配置,整体效能较低,而且无人机遥感系统属于"低、慢、小"的飞行目标,我国现有空管技术手段和系统"看不到、管不到",无人机飞行安全管理存在隐患。所以为了充分发挥无人机遥感技术整体优势,统筹无人机遥感科技资源、优化配置,提高无人机遥感科技创新能力、应急救灾快速反应能力,2013年科技部组织863课题"基于北斗/GPRS/3G技术的无人机遥感网络体系关键技术研究与示范",开展基于北斗/GPRS/3G技术的无人机遥感网络体系关键技术研究。该文主要论述了无人机遥感网络运行管理机制与规范的研究过程与方法,并形成无人机组网系列标准规范初稿,将弥补国内民用无人机标准规范空白;论述了基于北斗/GPRS/3G技术的无人机遥感系统飞行监管的关键技术,实现无人机遥感网络对无人机超视距测控和信息传输,将改变我国无人机遥感系统用现有的空管系统监管手段"看不到、管不到"的现状;论述了无人机遥感网络综合运行管理平台的设计思路与技术,为统筹无人机遥感科技资源、优化配置,促进开放共享和综合利用提供技术平台支撑;论述了基于无人机遥感系统的灾害应急节点灾情提取与综合验证节点无人机遥感数据快速处理等关键技术研究,将为应用示范节点构建提供技术支撑。该文初步形成了无人机遥感网络运行管理机制与规范研究报告,5个无人机组网系列标准初稿,形成了无人机导航通讯技术研究、无人机遥感系统网络数据库结构和管理系统概要设计书等研究方案,进行了北斗/GPRS/3G技术的无人机遥感系统飞行监管与无人机遥感网络综合运行管理平台的原型系统的设计与开发,为该课题的"无人机组网关键技术攻关,社会化无人机遥感网络体系初步构建"的研究目标提供了技术支撑。     

基于改进梯度策略的多虚拟结构算法的无人机协同控制

针对多无人机(unmanned aerial vehicles,UAVs)协同控制问题,提出一种用于无人机协同编队控制方法。以虚拟结构控制为框架,结合梯度策略方法设计奖励函数和惩罚函数,将其看成一种引力和斥力运用到无人机协同编队控制系统,解决在多虚拟结构控制点下因编队数量增加导致机群的稳定性和协调性下降的问题。本文算法使得无人机编队既能协同运动,又能在运动中维持稳定的队形变换,还能防止机群之间的两机碰撞。对有控制输入的无人机编队系统进行仿真,验证了该方法的有效性。     

强抗偏移轻量化无人机无线传能耦合机构研究

无线电能传输技术在无人机领域应用中，无人机降落时由于定位精度以及停靠时的控制精度存在误差，会导致停靠位置不准确而产生偏移，由于无人机本身体型较小，耦合机构的尺寸也会较小，此时存在的偏移会导致耦合机构的耦合程度降低，进而导致无线电能传输系统工作效率降低，影响系统正常工作。为提高系统的抗偏移特性，需要对无人机无线充电系统的耦合机构进行合理的设计及优化。笔者通过结合无人机结构特性，在用线量一致的约束条件下分析对比不同耦合机构的耦合特性，设计适用于无人机的最佳耦合机构；对耦合机构参数进行以M/l为优化目标的轻量化优化；最后通过仿真和实验验证了该耦合机构优化方法的可行性。     

基于分布式协同控制的警用无人机群目标追踪控制

以暴力突发事件中警用无人机追踪、包围、逮捕逃跑犯罪人员为研究背景,开展了多个非完整型无人机协同目标追踪控制研究。系统的控制目标是多个无人机以期望的相对半径、角间距对逃跑犯罪人员进行追踪。利用反演法,设计了全局坐标系下的分布式控制策略,最终实现了无人机群的期望运动,并利用李雅普诺夫工具进行了系统稳定性和收敛性分析。并利用仿真实验,验证了所提控制算法的有效性。