近年来随着多旋翼无人机相关技术的发展,越来越多的领域开始引入无人机来执行一些危险或者需要快速完成的任务,比如边境巡逻、森林防火、灾害救援、电力巡检等。无人机的定位导航是开展自主作业的关键,目前多旋翼无人机的定位方式主要为卫星制导,但由于受到卫星制导误差的影响,无法确保其自动精确降落到指定的区域,导致多旋翼无人机难以实现户外自动停靠补能,进而限制了无人机的作业半径与作业效率。如果采用人工操控模式,则可能会因为操控不准确而导致无人机与周围物体相撞并失控坠毁。为了解决上述无人机近距离定位引导停靠问题,本文在传统电磁定位模型的基础上进行改进,提出并设计了两种不同结构的电磁定位导航系统,用于在指定的降落点附近替代卫星制导,引导多旋翼无人机精确降落。首先,本文分析了电磁定位的基本原理和传统的电磁定位系统的硬件结构,并由磁偶极子模型详细推导出基于矩阵和向量运算的六自由度定位算法;针对无人机近距离精确定位的应用要求,剖析传统电磁定位系统的优势与不足,给出传统电磁定位系统改进的依据与策略。在此基础上,本文分别提出并设计了基于多电磁场发生器的电磁定位系统和基于多电磁场传感器的电磁导航系统。两种系统设计方案不同,对于多电磁场发生器的电磁定位系统,其特点为:(1)由多个电磁场发生器和一个电磁场感应器构成,多个电磁场发生器按照一定的结构布置在降落区域内,而电磁场感应器则由无人机搭载。(2)每个电磁场发生器由三个相互正交的线圈构成,而电磁场感应器由三个相互正交的传感器构成,系统在工作时需要在线圈和电感之间反复切换,以获得完整的测量信号。(3)信号处理电路放大测量信号并依次将信号进行带通滤波、全波整流、低通滤波,获得直流信号并用ADC采集。(4)系统通过ADC采集到的直流信号、电磁定位系统模型以及非线性最小二乘法计算电磁场感应器的坐标来实现无人机的定位,并引导无人机飞向降落区域。对于多电磁场传感器的电磁定位系统,其特点为:(1)由一个电磁场发生器和一个电磁场感应器构成,电磁场发生器布置在降落区域中心,而电磁场感应器同样由无人机搭载。(2)电磁场发生器由一个z轴方向的线圈构成,而电磁场感应器由多个电磁场传感器模块构成,每个传感器模块包含一个同立方体的三轴线圈和微弱信号放大器,系统在工作时不需要在线圈和电感之间反复切换,所有线圈可以同时工作。(3)由ADC采集信号,并由处理器内的滤波算法处理信号,最后由FFT解算特定频率的信号幅值。(4)系统通过FFT解算到的信号幅值、简化的电磁定位系统模型以及非线性最小二乘法计算电磁场感应器的方位角来实现无人机的定向,并引导无人机飞向降落区域。此外上述系统均采用了谐振电路,降低了电能消耗,提高系统的信噪比,同时由于采用了基于卡尔曼滤波预测的系统参数自适应调节方法,系统能够及时改变其关键参数,在取得最大信噪比的基础上防止传感器电路输出饱和,确保测量精度达到最高。最后,分别对两种结构的电磁定位系统进行测试分析,分别测量了信号处理电路的噪声与系统增益的关系、系统的信噪比、测距能力以及测距误差等,还进行了两个系统的飞行实验测试。基于多电磁场发生器的电磁定位系统实验测试结果表明,在电磁场感应器距离电磁场发生器1米以内时,系统的静态测距误差小于2厘米。而基于多电磁场传感器的电磁定位系统实验测试结果表明,在相对高度小于110厘米时,系统方位角的平均测量角度误差小于3°,特别是在电磁场感应器距离电磁场发生器1米以内时,方位角角度误差小于1°,对应水平弧度误差小于1.8厘米。飞行实验测试验证了两种电磁定位导航系统在各种噪声作用下的实际环境中的定位导航能力,由于飞行实验测试中噪声的存在,测量精度具有一定的随机性。实验证明每种系统均可以独立完成任务,实现多旋翼无人机的近距离精确定位导航并精确引导降落。