四旋翼飛行器姿態(tài)估計(jì)方法.pdf

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1、第22卷第5期電光與控制V01．22No．52015年5月ElectronicsOptics＆ControlMay2015doi：10．3969／j．issn．1671—637X．2015．05．006四旋翼飛行器姿態(tài)估計(jì)方法饒康麒，劉小明，陳萬(wàn)春(北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京100191)摘要：針對(duì)四旋翼飛行器姿態(tài)估計(jì)中傳感器由于旋翼振動(dòng)帶來(lái)的測(cè)量誤差，通過卡爾曼濾波方法融合加速度計(jì)和陀螺儀的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)提高姿態(tài)估計(jì)精度，減少因載體振動(dòng)帶來(lái)的噪聲并解決陀螺漂移問題。先分析了慣性器件誤差類型，然后建立了三自由度的系統(tǒng)模型并用Matlab進(jìn)行仿真分

2、析，再利用帶有螺旋槳的實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證方法的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，姿態(tài)估計(jì)誤差在2。以內(nèi)且沒有隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，基本滿足四旋翼飛行器姿態(tài)估計(jì)的實(shí)時(shí)性、廉價(jià)性、高精度等要求，該方法可以成功應(yīng)用于四旋翼飛行器的姿態(tài)控制，抑制噪聲干擾，為穩(wěn)定的自主飛行創(chuàng)造條件。關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；姿態(tài)估計(jì)；加速度計(jì)；陀螺儀；卡爾曼濾波中圖分類號(hào)：TN274．2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671—637X(2015)05—0025—04AttitudeEstimationforQuad·RotorAircraftRAOKang—qi，LIUXiao—ming，CHENWan

3、—chun(SchoolofAstronautics，BeihangUniversity，Beijing100191，China)Abstract：Tothemeasurementerrorcausedbysensorduetorotorvibrationinattitudeestimationforquad．rotoraircraft，thedatameasuredbyaccelerorneterandgyroscopearefusedthroughaKalmanfiltermethod，toimprovetheaccuracyofattitu

4、deestimation，reducethenoisecausedbycarriervibrationandsolvethegyrodriftproblem．First，theerortypesofinertialdeviceswereanalyzed，andthenathree—DOF(degreeoffreedom)systemmodelwasestablished，simulationanalysiswasalsomadethroughMatlab．Finally，thefeasibilityofthismethodwasverifiedb

5、yusinganexperimentalbenchwithpropellers．Experimentalresultsshowedthattheattitudeestimationerrorwaswithin2。andwasnotaccumulatedovertime，basicallymeetingtherequirementsofattitudeestimationforquad—rotoraircraft，suchasreal—timeperformance，lowcostandhighprecision．Thismethodcouldbe

6、successfullyappliedtotheattitudecontrolforquad·rotoraircraft，whichcansuppressthenoiseinterference，andcreateagoodconditionforstableautonomousflight．Keywords：quad-rotoraircraft；attitudeestimation；accelerometer；gyroscope；Kalmanfilter度較低，雖然動(dòng)態(tài)性能良好，但存在累計(jì)漂移誤差，加0引言速度計(jì)和電子羅盤有著較好的靜態(tài)特性，沒

7、有漂移問四旋翼無(wú)人飛行器是一種六自由度垂直起降飛行題，但容易受機(jī)體振動(dòng)、外部磁場(chǎng)等因素的干擾，使其器，能夠完成懸停、低速飛行、垂直起降和室內(nèi)飛行等動(dòng)態(tài)可信度降低。盡管單一傳感器就可以單獨(dú)進(jìn)固定翼飛機(jī)無(wú)法完成的任務(wù)，與傳統(tǒng)直升機(jī)相比，具有行姿態(tài)角度測(cè)量，但是其準(zhǔn)確性主要取決于載體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單、制造精度要求較低、穩(wěn)定性好、陀螺狀態(tài)和慣性器件的精度。如果使用簡(jiǎn)單的均值濾波，效應(yīng)較弱等優(yōu)勢(shì)。在四旋翼飛行器的飛行控制過很難滿足精度和實(shí)時(shí)性上的要求。程中，準(zhǔn)確而實(shí)時(shí)地獲得飛行器在空中的姿態(tài)角度，是卡爾曼濾波是一個(gè)最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法，決定控制精度和

8、系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。陀螺儀測(cè)量精近年來(lái)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖像處理方面。采用卡爾曼濾波方法對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀信號(hào)進(jìn)行融合，大大收稿日期：201