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《基于卡爾曼濾波的小型無人機(jī)姿態(tài)估計(jì)算法研究》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、第30卷第6期2013年12月沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)JournalofShenyangAerospaceUniversityV01．30No．6Dec．2013文章編號：2095—1248(2013)06—0053—05基于卡爾曼濾波的小型無人機(jī)姿態(tài)估計(jì)算法研究聶鵬，李佩華，李正強(qiáng)，鄭旺，宋平(沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，沈陽110136)摘要：構(gòu)建了基于MEMS陀螺儀、加速度計(jì)及磁強(qiáng)計(jì)的姿態(tài)測量系統(tǒng)。研究了基于四元數(shù)的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法。通過四元數(shù)微分方程和陀螺噪聲誤差建立了卡爾曼狀態(tài)方程，利用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的輸出數(shù)據(jù)，采用梯度下降法計(jì)算出測量四元
2、數(shù)。用從實(shí)際的慣性測量單元采集的數(shù)據(jù)對濾波器進(jìn)行測試，結(jié)果證明航向角在通過卡爾曼濾波器后，有效的抑制了姿態(tài)角的發(fā)散，使得航向角姿態(tài)角誤差小于3。，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)小型無人機(jī)的高精度姿態(tài)解算。關(guān)鍵詞：擴(kuò)展卡爾曼濾波；姿態(tài)解算；梯度下降法中圖分類號：V243．5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10．3969／j．issn．2095—1248．2013．06．012ResearchonattitudemeasurementsystemofsmalldronebasedonkalmanfilterNIEPeng，LIPei—hua，LIZheng—qiang，ZHENGW
3、ang，SONGPing(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering，ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136)Abstract：AttitudemeasurementsystemisconstructedbasedonMEMSgyroscope，accelerometerandmag—netometer，andtheextendedKalmanfilteringalgorithmisstudiedbasedonquaternion．Kalmanstateequati
4、onisestablishedthroughthequatemiondifferentialequationandthegyronoiseerror．Usingtheoutputdataofaccelerometerandmagnetometer，measurementquaternionisworkedoutwiththegradientdescentmethod．Thefilteristestedwithdatacollectedfromactualinertialmeasurementunit，andtheresultsprovethathead
5、—inganglethroughKalmanfiltercaneffectivelyinhibitthedivergenceofattitudeangle，withtheheadingan-gleerrorlessthan3。．Thealgorithmcanachievehighprecisionattitudealgorithmofsmalldrone．Keywords：extendedkalmanfilter；attitudealgorithm；gradientdescentmethod姿態(tài)測量系統(tǒng)是無人機(jī)導(dǎo)航及姿態(tài)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其精度直
6、接影響到無人機(jī)各控制系統(tǒng)的精度。由于小型無人機(jī)帶負(fù)載的能力有限，要求姿態(tài)測量系統(tǒng)的體積質(zhì)量小、功耗低。隨著MEMS(Micro—Electro—MechanicalSystems)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型無人機(jī)姿態(tài)的測量普遍采用捷聯(lián)慣性測量單元(InertialMeasure—mentUnit，IMU)，其主要由低成本MEMS陀螺儀、加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)組成、1～。。由于陀螺儀存在漂移，在姿態(tài)估計(jì)過程中存在累計(jì)誤差，加速度計(jì)會受到無人機(jī)飛行過程中機(jī)體振動的影響，同時(shí)磁強(qiáng)計(jì)是一種磁阻傳感器，容易受到外部磁場的干擾。單獨(dú)使用無法滿足控制系統(tǒng)的精度要求。本文
7、采用加速度計(jì)及磁強(qiáng)計(jì)輸出作為觀測量，修正陀螺姿態(tài)解算的誤差，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器，對不同類型傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到較高精度的姿態(tài)信息。1坐標(biāo)系定義及姿態(tài)矩陣為了描述飛行器的俯仰、偏航、橫滾的姿態(tài)信息，需要建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，用空間矢量變換方法收稿日期：2013—09—16基金項(xiàng)目：遼寧省暈點(diǎn)實(shí)驗(yàn)事項(xiàng)日資助(項(xiàng)目編號：LS2010117)作者簡介：聶鵬(1972一)，男，占林占林人，教授，主要研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)，測控技術(shù)，E．mail：niehit@163．com。54沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)第30卷加以描述。在這里定義2個(gè)不同的三維坐標(biāo)系，分別
8、為導(dǎo)航坐標(biāo)系n、載體坐標(biāo)系b。姿態(tài)解算算法在導(dǎo)航坐標(biāo)系b中完成，首先要將固定在飛行器上的傳感器
