摘要
近年来，由于四旋翼无人机在民用领域内的广泛使用，四旋翼无人机室内定位与飞行控制研究也变得越来越热门。在复杂的室内环境中，高精度的定位受到了更多的关注。GPS技术常用于四旋翼无人机的室外定位，而在室内，由于信号强度差和精度不足，GPS难以建立稳定的信号。想要实现在室内环境中的飞行任务，必须探索新的导航定位方法。而超宽带（UltraWideBand，UWB）技术具有低成本、低功耗、抗干扰的优点，开始被广泛认为是解决室内定位问题的理想选择。此外，结合惯性测量单元（InertialMeasurementUnit,IMU）进行信息融合，可以进一步增强定位系统的精度。 本文采用UWB技术进行定位，比较了不同测距方式的优劣，为了降低时钟偏移的影响，将基于3消息交互的双边双向测距方法（Double-sidedTwoWayRanging,DS-TWR）应用于UWB定位。针对基站采用三边测距法定位形成的圆无法交于一点的问题，通过最小二乘算法来进行位置估计。并对非视距环境（NonLineofSight,NLOS）下的异常数据设计了一种基于测距值和信号强度的剔除方法。 本文进行了UWB/IMU组合定位算法研究。针对IMU存在零偏误差的问题，构建了一个一阶马尔科夫模型来描述陀螺仪和加速度计的零偏，并根据模型进行零偏估计和校正。本文基于反馈校正的滤波方式设计了UWB/IMU组合定位模型，并运用卡尔曼滤波进行数据融合。通过仿真验证了组合定位算法的有效性。 针对四旋翼无人机非线性，强耦合的特点，建立了非线性数学模型，设计了非线性几何控制器来进行跟踪控制。将无人机的控制分解为位置跟踪和姿态跟踪两个方面来进行控制，并且通过仿真和实验验证了跟踪控制器的有效性。 以无人机室内定位与飞行控制实验平台为载体，在室内进行了定位测试，并对采用单一传感器的定位方式和UWB/IMU组合定位方式的结果进行对比分析。通过对实验数据的分析，证明了组合定位方式有着比采用单传感器的定位方式更高的定位精度。相比单UWB传感器的定位方式，在三个轴上的定位精度分别提高了40.56％、30.45％、25.94％;相比于IMU在三个轴上的定位精度分别提高了59.30％、46.35％、65.28％,证明组合定位算法，有效的提高了室内定位的精度。
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