为了在特殊环境下有效使用多旋翼无人机飞行器的磁罗盘, 研究了大电流、控制量变化情况下磁罗盘的校正问题, 提出了一种磁罗盘自适应校准方法。推导了磁罗盘误差的变化规律并建立了误差模型, 分析了硬磁误差随控制量变化的规律, 进而提出了一种基于整体最小二乘法的空间直线拟合方法。通过空间直线拟合, 将得到的控制量和硬磁补偿的对应关系用于实时调整对空间飞行器的硬磁补偿, 最终解决了控制量变化对磁罗盘的影响。进行了实验验证, 结果表明: 提出的方法可将飞行器控制量变化带来的磁罗盘硬磁误差基本抵消; 在实际飞行中, 多旋翼无人飞行器的偏航误差可由最大的15°减小到3°以内。本文所给出的方法在控制量变化, 大电流情况下使用时, 可以很好地校正磁罗盘航向角误差, 提高导航精度。

针对多旋翼无人飞行器机载云台的稳定控制要求，提出一种采用双速度环控制结构的带有模糊切换条件的模糊自适应PID复合稳定控制方法。在深入分析控制结构扰动抑制能力的基础上，通过模糊自适应控制中自调整因子的引入和控制规则的在线修正，提高系统的快速响应能力;利用变速积分PID控制保证系统的高稳定精度，模糊切换条件实现复合控制的平稳切换。动态响应和稳态精度实验表明，系统的调节时间约为20 ms，稳定精度为0.13 mrad。该方法有效地实现了机载云台的稳定控制，完全满足了多旋翼无人飞行器的应用需求。

分析了气流扰动、翼间干扰等因素对飞行中的无人飞行器的控制精度和效果产生的影响，并给出了相应的解决方法。建立了Hex-Rotor飞行器的动力学模型，分析了升力因子不确定性导致飞行器控制效果下降的影响因素。设计了反演滑模控制器来控制飞行器的空间六自由度运动，同时考虑升力因子的不确定性采用超螺旋非线性观测器观测各个旋翼的升力因子来克服气动干扰的影响。通过原型机验证了提出的方法，结果显示: Hex-Rotor飞行器在气动干扰较大的外部环境中飞行时，水平位移跟踪误差不超过±4.5 m，高度误差不超过±2.5 m，姿态角度误差保持在±2°内，较大地增强了飞行器的抗扰能力。结果表明: 采用本文的方法可以有效地估计各个旋翼的升力因子，从而提高Hex-Rotor飞行器的控制精度和效果。

为了提高绝对式光栅尺的细分精度，提出了一种细分误差补偿方法。对绝对式光栅尺A、B两路叠栅条纹信号进行傅里叶分析，建立叠栅条纹信号模型；对信号模型中的相位、振幅、谐波、直流分量进行校正，得到理想叠栅条纹信号的模型；对比实际信号模型和理想信号模型的细分位置，得到绝对式光栅尺的细分误差；根据该误差对细分值进行补偿，提高细分精度。通过使用JC09型绝对式光栅尺对该方法进行验证，可使其细分相对误差从2.70%降低到1.05%。实验结果表明，该方法能够有效地提高绝对式光栅尺细分精度，且该方法具有原理简单、易于实现的优点。

提出了一种改进的Sage-Husa自适应扩展Kalman滤波算法, 用于保证多旋翼无人机在噪声统计特性未知且时变、振动为主要扰动源、姿态角高动态变化等飞行条件下飞行姿态角解算的精度与稳定性。该算法采用微机电系统陀螺仪实时动态解算的姿态角方差估计系统噪声方差; 并采用自适应滤波算法在线估计量测噪声方差, 从而保证滤波的精度与稳定性; 同时引入滤波器收敛性判据, 结合强跟踪Kalman滤波算法来抑制滤波发散。飞行实验与分析表明: 改进算法解算的俯仰角与横滚角均方根误差分别为1.722°和1.182°, 明显优于常规的Sage-Husa自适应滤波算法。实验还显示: 改进的算法自适应能力强、实时性好、精度高、运行可靠, 能够满足多旋翼无人机自主飞行的需要, 若对参数进行适当修改, 还可应用于其它动态性能要求较高的导航信息测量系统中。

四旋翼飞行器旋翼产生的升力是在基值的基础上附加一系列频率特性和旋翼转速有关的高频分量。由于它会对飞行器的控制产生扰动, 本文研究了这类高频升力分量对飞行器的影响并给出了抑制扰动的方法。首先, 基于拉格朗日能量法建立四旋翼飞行器动力学模型; 进而分析了高频升力分量与飞行器角速度扰动之间的关系。然后, 将角速度反馈环节加入针对有色噪声的卡尔曼滤波器来抑制角速度扰动对控制器的影响。实验结果显示: 与改进前相比, 采用本文的方法对四旋翼原型机进行悬停控制可使控制量波动减少50%, 高频控制量衰减至-17db以下。结果表明: 采用本文的方法, 可以有效地抑制升力波动对四旋翼飞行器的影响, 提高飞行控制效率。

针对红外图像信噪比低、目标边缘和细节模糊等缺点, 提出了一种基于梯度直方图变换增强红外图像细节的方法。通过分析红外图像的梯度直方图, 构造出一个高斯函数来扩展梯度直方图, 增大图像的梯度值。采用直方图规定化法, 实现图像的梯度直方图规定化, 得到变换的梯度场。在从变换的梯度场重建增强的图像时, 引入全变分(TV)模型来抑制噪声。实验结果表明, 提出算法的图像信息熵比灰度直方图均衡化和规定化算法显著提高, 明显增强了红外图像的纹理细节, 为目标检测、跟踪和识别提供了高质量的图像信息。提出的算法采用有限差分法迭代进行求解和Visiual C++编程, 对大小为480 pixel×480 pixel的图像的处理时间约为40 ms, 基本达到了工程应用对图像处理的要求。

针对高清视频信号的数据量大，所需的传输带宽高的问题，设计了嵌入式千兆网高清视频传输系统。该系统选用Altera公司Cyclone II系列的FPGA芯片为主控制器，完成数据的采集、处理和传输控制。系统采集端选用Camera Link接口，其数据传输速率最高可达1 Gbit/s，可为高清相机提供简单、灵活的连接。数据传输方式上采用千兆以太网技术，使视频信号不经压缩即可高速远程传输。实验采用分辨率为1 392列×1 040行×8位，帧频为16 Hz的紫外相机，结果表明,该系统每秒最高可传输52帧图像数据，数据流速度达到6078 Mbit/s，且成本低、体积小、功耗低、性能稳定，满足了工程需要。

针对红外图像具有对比度低、边缘模糊的缺点, 提出一种基于变分偏微分方程理论的红外图像增强方法。通过重建图像梯度场的分布, 以此增强图像中纹理细节不明显、对比度小的微弱信息。在梯度场的变换中对噪声的幅值切割, 完成了对噪声处理。结果表明本算法使得原图像的灰度平均梯度值提高2～3倍, 对增强红外图像的边缘和微弱有用信息效果明显, 避免了直方图均衡类算法丢失一些灰度相近且分布较少的微弱细节信息的缺点, 为图像识别和跟踪应用提供了高质量的图像信息。

针对红外图像具有目标边缘和细节模糊的缺点，提出一种双峰高斯函数规定化的变分红外图像增强算法。该方法将图像变换到梯度域，得到图像的梯度直方图,构造出一个双峰高斯函数，以此对梯度直方图的分布加以约束,用变分方法对梯度场中增强的图像进行重建以提高图像的对比度和增强目标边缘和细节信息。为了防止噪声被放大，在构造增强的梯度场时,对噪声做了幅值切割。实验结果表明，该算法无论是在视觉效果上还是在图像信息熵评估值定量指标上均明显优于直方图均衡化和规定化算法，为红外图像提供了很好的视觉效果。