complimentary filter_20150826.docx

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1、MEMS陀螺仪具有温度漂移特性，加速度传感器会受到飞行器飞行过程中机体振动的影响，同时电子罗盘是一种磁阻传感器，容易受到外部磁场的干扰。因此，如何融合IMU多传感器的数据，滤除外部干扰，得到高可靠性、高精度的姿态数据，是一项非常具有挑战性的工作。陀螺仪动态响应特性良好，但计算姿态时，会产生积累误差。数字罗盘和加速度传感器测量姿态没有积累误差，但动态响应价差。因此，他们在频域上特性互补，可以采用互补滤波器融合这三种传感器的数据，提高测量精度和系统的动态性能。加速度传感器测量载体坐标系下重力加速度矢量g的方向，已纠正横滚和俯仰姿态角；数字罗盘测量在参考坐标系下的航向角，以矫正飞行器的偏航姿态角。

2、四旋翼飞行器大部分时间处于悬停、匀速飞行阶段，此时加速度传感器只受机体高频振动的干扰，而且在起飞、降落和加减速阶段，其加速度相对重力加速度较小，而且持续时间很短，最终会被互补滤波器滤除。因此，可以将加速度传感器的数据作为机体重力加速度的测量结果。多传感器数据融合算法分为两类：一类是从频域来分辨和消除噪声，不需考虑信号的统计特性，如互补滤波器(complementaryfilter);另一类是使用状态空间法在时域内设计滤波器，如extendedkalmanfilter,unscentedkalmanfilter。与时域滤波器相比，互补滤波器不需对噪声进行精确建模，易于实现。陀螺的误差主要集中在

3、低频段；辅助传感器（加速度计和磁力计）的误差主要集中在高频段。辅助传感器与估计值的偏差经过一个控制器后反向矫正陀螺仪值，将校正后的陀螺仪值积分后可得到姿态角估计值x。即：姿态估计值是陀螺积分值高通滤波和辅助传感器数据低通滤波后的叠加。规则指互补滤波器参数调整规则，在这里我们不予考虑。20150827Bothaccelerometerandmagneticsensorshowgooddynamicresponsetothelowfrequencymotionsbuttheaccelerometerwoulddiverge,whilethemagneticsensorwoulddecay,int

4、hehighfrequency.However,thedynamicresponseofgyroscopehasbetterfidelityinthehighfrequencybutpoorqualityinthelowfrequencyrange.Asthereliablefrequencyrangesofthesesensorshaveoverlappedandcoveredthewholerange,thecomplementaryfilteringemergesasthebestcandidatetoestimatetheattitudesinthedynamicmotions.To

5、utilizethebestperformanceofeachsensor,thecomplementaryfilteringisdesignedtoextractthelowfrequencyoftheaccelerometer/magnetometerandthehighfrequencyofgyroscope.