卡爾曼濾波在四旋翼飛行器姿態(tài)測量中的應(yīng)用

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1、2011-01兵工自動化30(1)OrdnanceIndustryAutomation·73·doi:10.3969/j.issn.1006-1576.2011.01.022卡爾曼濾波在四旋翼飛行器姿態(tài)測量中的應(yīng)用王帥，魏國（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）摘要：針對簡單均值濾波很難滿足要求的不足，介紹一種四旋翼飛行器系統(tǒng)飛行姿態(tài)測量的新算法。在使用傳統(tǒng)的加速度傳感器獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用卡爾曼濾波的方法，將加速度傳感器數(shù)據(jù)和陀螺儀數(shù)據(jù)進行融合，以單片機為核心的慣性測量單元進行試驗。結(jié)果表明，該算法能避免動態(tài)噪聲對加速度傳感器數(shù)據(jù)的影響，提高四旋翼飛行器

2、姿態(tài)測量的精度。關(guān)鍵詞：卡爾曼濾波；四旋翼飛行器；姿態(tài)測量中圖分類號：TP206文獻標(biāo)志碼：AApplicationofKalmanFilterinAttitudeMeasurementforFour-RotorAircraftFlightWangShuai,WeiGuo(SchoolofElectrical,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Introduceanewalgorithmusedinafour-rotoraircraftflightattitudemeasurementsyste

3、m,accordingtotheshortageofsimpleaveragefilter.Onthebasisoftraditionalmethodofaccessingdatauseaccelerationsensors,thefusionwithaccelerationsensordataandgyroscopesdatabyKalmanfilter,testingininertialmeasurementunitwithMCU.Theresultsshowthatthemethodcanavoiddynamicnoiseofaccelerationsensor,a

4、ndimprovetheaccuracyofattitudemeasurementofquadrotorhelicopter.Keywords:Kalmanfilter;quadrotorhelicopter;attitudemeasurement0引言1建立飛行器姿態(tài)模型四旋翼飛行器是一種垂直起降機，是固聯(lián)在剛1.1線性系統(tǒng)模型描述性十字交叉結(jié)構(gòu)上，由4個獨立電機驅(qū)動的螺旋槳線性系統(tǒng)的模型可以描述為：[1-3]組成的6自由度系統(tǒng)。盡管有4個驅(qū)動，但因為狀態(tài)方程：四旋翼飛行器具有6個坐標(biāo)輸出，所以仍然是欠驅(qū)x=Ax++Buw(1)kk+1kk動和動力不穩(wěn)定的系統(tǒng)。為了控制

5、飛行器在飛行過輸出方程：程中的穩(wěn)定性，需要實時的了解飛行器的當(dāng)前姿態(tài)，yC=xz+(2)kkk并調(diào)整驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。飛行器姿態(tài)角（俯仰角和在上述方程中，A、B和C均為矩陣，k是時間橫滾角）在靜態(tài)時可以通過加速度傳感器計算，但系數(shù)，x稱為系統(tǒng)狀態(tài)，u是系統(tǒng)的已知輸入，y是飛行時，加速度傳感器的數(shù)據(jù)會受到非重力加速度所測量的輸出，w和z表示噪聲。其中，變量w稱[4]的影響，使計算不準確。為進程噪聲，z稱為測量噪聲，它們都是向量，因卡爾曼濾波是一個最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算此包含多個元素。x中包含系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的所有資[5]法。近年來被廣泛應(yīng)用于計算機圖像處理方面。訊，但不能被直接測

6、量。因此，要測量向量y，y在四旋翼飛行系統(tǒng)中，需要對陀螺儀和加速度傳感[6]是受到噪聲z干擾的系統(tǒng)狀態(tài)x的函數(shù)。器所測得的數(shù)據(jù)進行綜合和校正。如果使用簡單的1.2姿態(tài)模型均值濾波，很難滿足精度和實時性上的要求。故通過卡爾曼濾波將加速度傳感器和陀螺儀的數(shù)據(jù)進行使用陀螺儀數(shù)據(jù)建立四軸飛行器姿態(tài)的線性模融合，在計算四旋翼飛行器的實時姿態(tài)時很好地抑型如下：制了噪聲的干擾作用，以提高測量精度，為自主飛ααkkk+1=+?(udβk)t(3)行控制創(chuàng)造了條件。其中，α是飛行姿態(tài)角（俯仰角或橫滾角），β收稿日期：2010-06-12；修回日期：2010-09-09項目基金：國家大學(xué)生科

7、技創(chuàng)新性實驗計劃項目“用于危險區(qū)域物品清理的四旋翼飛行抓捕手”（091021326）作者簡介：王帥（1989-），男，黑龍江人，本科，從事測控技術(shù)與儀器研究?！?4·兵工自動化第30卷是陀螺儀的誤差，u是陀螺儀輸出的角速度數(shù)據(jù)，入到卡爾曼濾波算法中，以進一步減小誤差。kdt是采樣時間間隔。3試驗與結(jié)果假設(shè)陀螺誤差為常量，即實驗使用三軸加速度傳感器MMA7260，單軸β=β(4)kk+1陀螺儀EWTS82和AVR32單片機UC3B0256組成結(jié)合式(3)、式(4)得到狀態(tài)矩陣方程：姿態(tài)測量單元。通過單片機采集傳感器數(shù)據(jù)，并運??