基于互补滤波器的四旋翼飞行器姿态解算.pdf

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1、56传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2011年第30卷第l1期基于互补滤波器的四旋翼飞行器姿态解算梁延德，程敏，何福本，李航。(1．大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116023；2．大连理工大学创新实验学院。辽宁大连116023)摘要：针对小型四旋翼飞行器姿态解算这一基本问题，详细分析了姿态解算的过程，提出了其中的难点问题。应用低成本捷联惯性测量单元，设计了一种基于互补滤波器算法的姿态求解器。经过实验验证表明：与目前常用的卡尔曼滤波算法相比，采用

2、互补滤波器算法的求解器能显著降低对处理器速度和精度的要求，有效融合了捷联惯性测量单元的传感器数据，实现了小型四旋翼飞行器的高精度姿态解算。关键词：姿态解算；四旋翼飞行器；惯性测量单元；互补滤波器中图分类号：V249文献标识码：A文章编号：1000-9787(2011)11-0056-03Attitudeestimationofaquad-rotoraircraftbasedoncomplementaryfilterLIANGYan—de，CHENGMin，HEFu．ben，LIHang。(1．School

3、ofMechanicalEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian116023，China；2．SchoolofInnovationExperiment，DalianUniversityofTechnology，DMian116023，China)Abstract：Aimingatthebasicproblemofattitudeestimationofasmallquad—rotor，adetailedanalysisoftheattitudeesti

4、mationprocessisdoneandthedificultissuesduringthisprocessareproposed．Asolverusedtorealizeattitudeestimationisdesignedbasedoncomplementaryfilteralgorithm，usingthelow—costinertialmeasurementunit．Experimentalresultsshowthatthesolverdesignedbasedoncomplementar

5、yfilteralgorithmcansignificantlyreducetherequirementsofprecisionandspeedfortheprocessor，effectivelyfusesensordataandrealizehighprecisionattitudeestimation．Keywords：attitudeestimation；quad—rotor；inertialmeasurementunit；complementaryfilter0引言应用非常广泛的姿态解算算法J，

6、但是为其建立稳定可靠小型四旋翼飞行器由于具有广阔的军事和民用前景，的更新方程是比较困难的，而且其计算量很大，对处理器的使其成为了当前的研究热点。其中，姿态解算是此类四运算速度和精度要求很高，不适合应用于小型四旋翼飞行旋翼飞行器研究的关键问题之一。姿态解算的精度和速度器的嵌入式微控制器(MCU)中。互补滤波器算法简单可将直接影响飞行控制算法的稳定性、可靠性和实现的难易靠，对惯性器件的精度要求较低，在飞行器姿态解算中的应程度，所以，姿态解算是飞行控制实现的前提。随着MEMS用愈加广泛。因此，本文设计了基于互补

7、滤波器算法的四技术和计算机技术的发展，小型飞行器姿态的测量普遍采旋翼飞行器的姿态求解器，实现了长时间稳定地输出高精用低成本的捷联惯性测量单元(inertialmeasurementunit，度姿态数据，满足了四旋翼飞行器飞行控制的要求。IMU)，其主要由低成本陀螺仪、加速度传感器和电子罗盘1飞行器姿态描述组成¨。MEMS陀螺仪具有温度漂移特性，加速度传感器为了描述四旋翼飞行器的俯仰(pitch)、偏航(yaw)、横滚(rol1)的姿态信息，需要引入空间三维坐标系，用空间矢会受到飞行器飞行过程中机体振动的影

8、响，同时电子罗盘量变换方法加以描述。由于四旋翼飞行器飞行高度低，飞是一种磁阻传感器，容易受到外部磁场的干扰。因此，如何行速度小，可以忽略地球自转等因素的影响。在空间内仅融合IMU多传感器的数据，滤除外部干扰，得到高可靠性、定义2个不同的三维坐标系，分别为参考坐标系O、载体高精度的姿态数据，是一项非常具有挑战性的工作。坐标系O。参考坐标系又称之为导航坐标系，坐标原点为扩展卡尔曼滤波器算法是一种高精度的在飞行器中收稿日期：2Ol1