四旋翼飞行器姿态估计方法.pdf

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1、第22卷第5期电光与控制V01．22No．52015年5月ElectronicsOptics＆ControlMay2015doi：10．3969／j．issn．1671—637X．2015．05．006四旋翼飞行器姿态估计方法饶康麒，刘小明，陈万春(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：针对四旋翼飞行器姿态估计中传感器由于旋翼振动带来的测量误差，通过卡尔曼滤波方法融合加速度计和陀螺仪的测量数据来提高姿态估计精度，减少因载体振动带来的噪声并解决陀螺漂移问题。先分析了惯性器件误差类型，然后建立了三自由度的系统模型并用Matlab进行仿真分

2、析，再利用带有螺旋桨的实验台验证方法的可行性。实验结果表明，姿态估计误差在2。以内且没有随时间的增长而增大，基本满足四旋翼飞行器姿态估计的实时性、廉价性、高精度等要求，该方法可以成功应用于四旋翼飞行器的姿态控制，抑制噪声干扰，为稳定的自主飞行创造条件。关键词：四旋翼飞行器；姿态估计；加速度计；陀螺仪；卡尔曼滤波中图分类号：TN274．2文献标志码：A文章编号：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度较低，虽然动态性能良好，但存在累计漂移误差，加0引言速度计和电子罗盘有着较好的静态特性，没

7、有漂移问四旋翼无人飞行器是一种六自由度垂直起降飞行题，但容易受机体振动、外部磁场等因素的干扰，使其器，能够完成悬停、低速飞行、垂直起降和室内飞行等动态可信度降低。尽管单一传感器就可以单独进固定翼飞机无法完成的任务，与传统直升机相比，具有行姿态角度测量，但是其准确性主要取决于载体运动结构和控制简单、制造精度要求较低、稳定性好、陀螺状态和惯性器件的精度。如果使用简单的均值滤波，效应较弱等优势。在四旋翼飞行器的飞行控制过很难满足精度和实时性上的要求。程中，准确而实时地获得飞行器在空中的姿态角度，是卡尔曼滤波是一个最优化自回归数据处理算法，决定控制精度和

8、系统稳定性的关键。陀螺仪测量精近年来广泛应用于计算机图像处理方面。采用卡尔曼滤波方法对加速度计和陀螺仪信号进行融合，大大收稿日期：201