小型四旋翼无人机姿态测量仿真研究

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1、第32卷第02期计算机仿真2015年02月文章编号：1006—9348(2015)02—0067—07小型四旋翼无人机姿态测量仿真研究楚仕彬，袁亮(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830000)摘要：研究无人机姿态流通量优化问题，由于低成本小型四旋翼无人机中所使用的姿态测量传感器存在精度低、噪声大的缺点，并且易受温度等环境的影响，不能准确的测量出无人机的姿态，特别是在无人机加速飞行过程中，姿态误差会很快累积扩大，不能长时间加速飞行。为提高无人机姿态测量精度，提出设计由陀螺仪、加速度计和磁强计组成的姿态测量系统，通过计算加速度计信任度，并

2、利用卡尔曼滤波的方法实现对误差四元数的估计，从而得到无人机的姿态角度。实验结果表明．该卡尔曼滤波能够在低动态的飞行环境中准确测量出无人机姿态角度，并能克服以往无人机不能长时间加速飞行的缺点，证明卡尔曼滤波被成功应用于四旋翼无人机姿态测量优化提供了科学依据。关键词：四旋翼；误差四元数；姿态估计；卡尔曼滤波中图分类号：v271．4文献标识码：BStudyonMeasurementandSimulationoftheLowCostandCompactfourRotorUAVCHUShi—bin．YUANLiang(MechanicalEngin

3、eeringAcademyofXinjiangUniversity，UrumqiXinjiang830000，China)ABSTRACT：UAVattitudeisthebasisandcoreofunmannedaerialvehicle．Theattitudemeasuringsensorusedinthelowcostandcompactfour—rotorUAVhasshortcomingoflowprecision，bignoiseandeasilyaffectedbytheenvi·ronmentoftemperature，

4、SOtheUAV’sattitudecannotbemeasuredaccurately，especiallyinaccelerationmotion，theattitudeeITOrwillachievecumulativeexpansion，whichCannotaccelerationflightforalongtime．Inordertoimprovetheprecisionofthemeasurementsystem，anattitudemeasurementsystemisdesignedtocomposegyroscopea

5、cceler—ometerandmagnetometer，throoughcalculatingtheaecelerometertrustandusingthemethodofKalmanfiltertoesti·matefour—errorquatemion，theattitudeangleofUAVisobtained．TheexperimentalresultsshowthattheKalnlanfiltermethodnotonlycanaccuratelycalculatetheattitudeangleinlowdynamic

6、nightenvironments，butalsoCanO·vercomeshortcomingoftheUAVusingthepastKalmanfilterearlnotacceleratedflyingforalongtime．TheKalinanfiltermethodissuccessfullyappliedtothefour—rotorUAVflightattitudemeasurement．KEYWORDS：Thefourrotor；Errorquaternion；Attitudeestimate；Kalmanfilter1

7、引言无人机姿态作为无人机控制的基础和核心，直接决定了无人机速度与位置的导航精度，对无人机自主飞行影响非常大，因而备受重视。无人机的姿态测量系统的功能是通过读取传感器的测量值，经过相应的姿态解算方法，从而测量出无人机的航向角、俯仰角和横滚角，这三个角度是实现无人基金项目：国家自然科学基金(61262059)；新疆优秀青年科技创新人才培养项目(2013721016)；新疆大学博士启动基金收稿日期：2014一04一09修回日期：2014一05—23机姿态控制的前提，它不仅为无人机的控制系统提供当前的姿态信息，还为安装在无人机上的照相机等机载设备

8、提供姿态基准。尽管单一使用微机械陀螺仪就可以进行姿态角度的测量，但是其精度难以得到保证，并且其系统误差会随时间漂移，而高性能的陀螺仪价格高、体积大，不适宜在四旋翼无人机中使用。然而价格低、体积