羅棟 何國(guó)民 劉俊景

摘 要：多旋翼無(wú)人機(jī)具有成本低、無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、生存能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能好、使用方便等的優(yōu)勢(shì)，在航空拍照、地質(zhì)測(cè)量、高壓輸電線(xiàn)路巡視、油田管路檢查、高速公路管理、森林防火巡查等民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。無(wú)論應(yīng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行哪項(xiàng)工作，空中懸停這一基本的飛行模式總是不可或缺的。在如今無(wú)人機(jī)正被逐漸應(yīng)用的階段，對(duì)其進(jìn)行精確的空間定位懸停方法的研究尤為重要。本文針對(duì)在室外空曠環(huán)境下，利用加速度計(jì)、氣壓計(jì)、GPS模塊的與電子羅盤(pán)等傳感器對(duì)高度與位置進(jìn)行測(cè)量，研究設(shè)計(jì)了一種多元信息融合的回路反饋法，用于無(wú)人機(jī)空間位置估計(jì)。

關(guān)鍵詞：四旋翼無(wú)人機(jī);定位懸停;加速度計(jì);氣壓計(jì);GPS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.146

無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle）自主飛行技術(shù)多年來(lái)一直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，并且在實(shí)際應(yīng)用中存在大量的需求。在眾多領(lǐng)域應(yīng)用中，對(duì)無(wú)人機(jī)的精準(zhǔn)度、可靠性等方面要求較高。多旋翼無(wú)人機(jī)是一個(gè)欠驅(qū)系統(tǒng)，需要姿態(tài)和位置的閉環(huán)控制才能實(shí)現(xiàn)自主懸停和機(jī)動(dòng)飛行。

在室內(nèi)，無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主懸停定位依靠超聲波、激光、光流等傳感器獲取高度和位置信息。但在室外，這些傳感器的測(cè)量范圍比較小，傳感器作用不能有效發(fā)揮?？紤]到四旋翼無(wú)人機(jī)的控制特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)準(zhǔn)確的位置控制需要實(shí)時(shí)地獲得無(wú)人機(jī)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括空間運(yùn)動(dòng)速度信息、空間位置信息。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的獲取依賴(lài)于3類(lèi)傳感器：MEMS加速度傳感器，氣壓傳感器以及GPS。然而這三類(lèi)傳感器信號(hào)都存在固有的缺陷，單一的傳感器信號(hào)無(wú)法直接應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的位置控制。以合適的算法融合這三類(lèi)傳感器信號(hào)，達(dá)到互相補(bǔ)償各自信號(hào)缺陷的目的。

1 回路反饋法

對(duì)于四旋翼的懸停定位的實(shí)現(xiàn)，我們首先需要做的就是獲取四旋翼飛行器在導(dǎo)航系（X、Y、Z）下的位置、速度、加速度等數(shù)據(jù)信息，以此作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋，使得四旋翼系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的實(shí)現(xiàn)懸停定位。下面對(duì)比三種方式在Z軸方向上獲取高度、速度、加速度信息數(shù)據(jù)。

針對(duì)氣壓傳感器、GPS最大采樣頻率小與經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)濾波造成時(shí)延導(dǎo)致數(shù)據(jù)更新慢、原始數(shù)據(jù)輸出噪聲大與純慣導(dǎo)積分使得系統(tǒng)發(fā)散等一系列問(wèn)題。將采用慣性器件與氣壓傳感器、GPS等位置觀測(cè)器件進(jìn)行互補(bǔ)融合來(lái)對(duì)位置、速度、加速度的精準(zhǔn)估算。

該濾波算法迭代簡(jiǎn)單，適用于工程實(shí)踐。該算法的核心思想為實(shí)時(shí)地獲得加速度傳感器測(cè)量誤差的無(wú)偏估計(jì)值，從而對(duì)加速度傳感器的測(cè)量值進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，最后利用修正后的加速度信息進(jìn)行積分估計(jì)無(wú)人機(jī)的空間位置。這種算法具有很強(qiáng)的通用性，不僅僅適用于解決氣壓傳感器以及GPS 與加速度傳感器的信息融合問(wèn)題，同樣適用于其他傳感器，如超聲波、視覺(jué)里程計(jì)等與加速度傳感器的信息融合。

由于慣導(dǎo)的主體為加速度計(jì)，采樣頻率與更新實(shí)時(shí)性要求比較高，而觀測(cè)傳感器（氣壓計(jì)、GPS、超聲波、視覺(jué)里程計(jì)等）更新相對(duì)比較慢（或者數(shù)據(jù)噪聲比較大，通常需要低通造成滯后）。在無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)條件下，本次采樣的得到的帶滯后觀測(cè)量（高度、水平位置）已經(jīng)不能反映最新?tīng)顟B(tài)量（慣導(dǎo)位置），可以認(rèn)定傳感器在通帶內(nèi)的延時(shí)時(shí)間具有一致性（或者取有效帶寬內(nèi)的平均延時(shí)值），即當(dāng)前觀測(cè)量只能反映系統(tǒng)N*dt時(shí)刻前的狀態(tài)，所以狀態(tài)誤差（在這里指的是氣壓計(jì)與慣導(dǎo)高度、GPS水平位置與慣導(dǎo)水平位置）采用當(dāng)前觀測(cè)量與當(dāng)前慣導(dǎo)做差的方式不可取，將慣導(dǎo)的估計(jì)位置用數(shù)組存起來(lái)，根據(jù)氣壓傳感器和GPS的滯后程度，選取合適的Buffer區(qū)與當(dāng)前觀測(cè)傳感器得到位置做差得到狀態(tài)誤差。

2 導(dǎo)航系X、Y下的位置估算

由于對(duì)GPS解析出來(lái)的經(jīng)緯度是在GPS坐標(biāo)系WGS84中的，所以我們要把經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系n下變成X、Y（、Z）。將球面投影的方法直接將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為X和Y位置坐標(biāo)。

在得到導(dǎo)航系下的X、Y的位置坐標(biāo)后，還不足以用來(lái)進(jìn)行定位控制。還需結(jié)合慣性器件估算出導(dǎo)航系下X、Y的速度與加速度。而估算方法則采用第1節(jié)的回路反饋法估算。其觀測(cè)器件由氣壓計(jì)轉(zhuǎn)換成了GPS，而導(dǎo)航系下的Z軸加速度轉(zhuǎn)換成X、Y軸加速度。

3 算法驗(yàn)證

如圖1為回路反饋法濾波的X、Y、Z數(shù)據(jù)，互補(bǔ)濾波的數(shù)據(jù)相對(duì)于氣壓計(jì)數(shù)據(jù)其更新與濾波延遲得到顯著改善。當(dāng)上下左右拖動(dòng)的時(shí)候，數(shù)據(jù)輸出能夠隨機(jī)體運(yùn)動(dòng)變化。經(jīng)過(guò)回路反饋算法處理，能夠?qū)ξ恢谩⑺俣?、加速度進(jìn)行精確地估算，獲取的四旋翼飛行器在導(dǎo)航系（X、Y、Z）下的位置、速度、加速度等數(shù)據(jù)信息運(yùn)用在懸停定位的控制上也能夠取得很好的懸停定位效果。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)研究了回路反饋法修正的四旋翼位置估計(jì)算法。使用慣導(dǎo)器件通過(guò)回路反饋法融合氣壓傳感器、GPS傳感器的數(shù)據(jù)可以得到精度較高的位置、速度、加速度信息。此回路反饋法濾波算法具有很強(qiáng)的通用性，不僅僅適用于解決氣壓傳感器以及 GPS 與加速度傳感器的信息融合問(wèn)題，也適用于其它具有類(lèi)似信號(hào)特點(diǎn)的傳感器與加速度傳感器融合的組合導(dǎo)航問(wèn)題。由于準(zhǔn)確的位置估計(jì)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)位置控制的基礎(chǔ)，所以本文采用回路反饋法證明該位置估計(jì)算法的有效性。

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項(xiàng)目類(lèi)型：廣西區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（201710595169）

作者簡(jiǎn)介：羅棟（1999-），男，廣西合浦人，本科，研究方向：智能飛行器設(shè)計(jì)。