甘智高 李棟

摘 要：四旋翼飛行器位置估計(jì)是對(duì)其控制與決策的基礎(chǔ)，研究四旋翼飛行器位置估計(jì)問題具有重要意義。通常四旋翼位置估計(jì)主要依賴于加速度計(jì)，氣壓計(jì)以及全球定位系統(tǒng)GPS等。但由于大多數(shù)傳感器在測(cè)量時(shí)存在噪聲和冗余問題，同時(shí)單一的傳感器信號(hào)也往往無法直接應(yīng)用于四旋翼的位置估計(jì)。因此把多類傳感器的信號(hào)融合起來對(duì)飛行器進(jìn)行位置估計(jì)是非常有必要的，可以提高其位置估計(jì)的精確性和魯棒性。本文從傳感器的測(cè)量模型出發(fā)，利用加速度計(jì)、氣壓計(jì)、GPS三類傳感器分別對(duì)位置進(jìn)行估計(jì)。利用多種類型傳感器進(jìn)行測(cè)量，融合多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，從而對(duì)四旋翼進(jìn)行更為精準(zhǔn)的位置估計(jì)。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器;多傳感器;信息融合;位置估計(jì)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）21-0076-02

0 引言

四旋翼飛行器是近年來發(fā)展起來的一門新興綜合技術(shù)，在軍事、科研和工業(yè)中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。目前，四旋翼無人機(jī)以其驅(qū)動(dòng)力高，靈活性強(qiáng)以及適用場(chǎng)合廣的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。它可以代替人去執(zhí)行一些相對(duì)難度較高，危險(xiǎn)度較大的任務(wù)。順利地執(zhí)行這些任務(wù)的前提是要精確的估計(jì)出四旋翼飛行器的位置，從而對(duì)其進(jìn)行有效的控制。由于單一傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)四旋翼位置進(jìn)行估計(jì)其精確性很難得到保證，因此對(duì)基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的四旋翼位置估計(jì)的研究具有廣泛的實(shí)用意義。

1 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)概述

多傳感器數(shù)據(jù)融合是20世紀(jì)70年代以來形成的一門新興邊緣學(xué)科。在軍事、國防、航天等高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，目前已成為備受人們關(guān)注的熱門領(lǐng)域。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是將來自多個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)庫的有關(guān)信息進(jìn)行聯(lián)合、相關(guān)、組合以獲得比任一單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)更加全面、具有更高可靠度的數(shù)據(jù)信息。

2 單傳感器位置估計(jì)存在的問題分析

四旋翼傳感器如人身上的器官，能夠提供必要的信息。為了降低四旋翼的成本，企業(yè)大多選擇精度較低的廉價(jià)的傳感器。這些傳感器雖然也能夠直接測(cè)量加速度、角速度等。但都存在很大的測(cè)量噪聲，一方面有些信息無法直接測(cè)量到，比如速度、姿態(tài)角、障礙物、位置等，它們需要另外估計(jì)出來。另外一方面，傳感器的信息存在著冗余。

對(duì)于四旋翼飛行器而言，準(zhǔn)確的外界信息和自身狀態(tài)信息，往往不是由單一的傳感器獲得的，而是由多個(gè)不同類型的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合所得到的。多個(gè)傳感器信號(hào)的融合對(duì)于四旋翼飛行器非常重要，它在很大程度上決定了四旋翼飛行器的智能化水平。

3 各類傳感器位置估計(jì)測(cè)量的技術(shù)原理

3.1 氣壓計(jì)

（1）基本原理：四旋翼多采用壓電式氣壓計(jì)，氣壓計(jì)是一種壓力傳感器。新一代的氣壓計(jì)既可以測(cè)量氣壓和高度，又可以測(cè)量溫度。大氣壓隨高度的增加而減小，氣壓計(jì)正是通過測(cè)量大氣壓來估計(jì)高度。因?yàn)榇髿鈮悍植疾皇蔷鶆虻?，而且氣壓?jì)對(duì)氣流的影響很敏感，所以氣壓計(jì)在有風(fēng)的情況下經(jīng)常測(cè)量不準(zhǔn)。因此氣壓計(jì)只能夠得到飛行高度的近似值。

（2）校正：因?yàn)闅鈮河?jì)測(cè)量的微小變化不會(huì)對(duì)飛行器造成很大的性能下降。因此這些傳感器產(chǎn)生的偏差可以通過多旋翼飛行在線進(jìn)行校正。

（3）測(cè)量模型：氣壓計(jì)用于測(cè)量絕對(duì)高度，進(jìn)一步可以得到相對(duì)高度。

氣壓計(jì)測(cè)量的高度與真實(shí)高度之間的關(guān)系：測(cè)量的高度=真實(shí)的高度+漂移+白噪聲。

（4）特點(diǎn)：最大采樣頻率較小，數(shù)據(jù)更新較慢，原始數(shù)據(jù)輸出噪聲較大。

3.2 全球定位系統(tǒng)GPS

（1）全球定位系統(tǒng)GPS的基本原理：全球定位系統(tǒng)由若干顆衛(wèi)星組成，位置已知。其基本原理是利用測(cè)GPS接收機(jī)到衛(wèi)星的距離，然后通過解方程確定GPS接收機(jī)的位置。

用GPS對(duì)位置進(jìn)行估計(jì)會(huì)存在不同的偽距誤差。對(duì)C/A碼測(cè)得的偽距稱為C/A碼偽距，精度約為20米左右，對(duì)P碼測(cè)得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右?？紤]電離層、對(duì)流層和鐘差影響，偽距定位基本觀測(cè)方程為：ρ=ρ+c（δt+δT+δI）。

ρ：表示接收機(jī)到衛(wèi)星之間的距離;

ρ：偽距;

c：光速;

δt：衛(wèi)星導(dǎo)航給出的衛(wèi)星時(shí)鐘差;

δT：接收機(jī)鐘差;

δI：大氣中信號(hào)累積誤差;

衛(wèi)星坐標(biāo)：Ps，k∈R3，k=1，…，ns（表示有ns顆衛(wèi)星）;

用戶接收機(jī)位置坐標(biāo)：Pr∈R3;

（2）差分GPS的基本原理：差分GPS主要是通過消除誤差公共項(xiàng)來改善定位性能。差分GPS系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)鏈和用戶三部分構(gòu)成。它要求有高質(zhì)量的GPS基準(zhǔn)接收機(jī)放在已知坐標(biāo)的基準(zhǔn)站上，基準(zhǔn)站估算每個(gè)衛(wèi)星的測(cè)距誤差分量，并對(duì)每顆衛(wèi)星可視范圍內(nèi)的衛(wèi)星形成校正值，將該校正值通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給所有的GPS用戶。利用這些校正數(shù)據(jù)最后來校正自己的位置值，從而得到更加精確的位置定位信息。

（3）GPS的測(cè)量模型：GPS接收機(jī)放在多旋翼飛行器上，用于測(cè)量在地球固連坐標(biāo)系的位置P∈R3。它可以表示為PGPS=P+bp+np。

PGPS：測(cè)量位置信號(hào);

P：真實(shí)位置信號(hào);

bp：漂移;

np：噪聲;

一般的GPS和差分GPS都可以采用上面的模型，不同的是它們的精度和頻率不同，體現(xiàn)在漂移和噪聲參數(shù)上。

（4）GPS特點(diǎn)：最大采樣頻率較小，數(shù)據(jù)更新較慢，原始數(shù)據(jù)輸出噪聲較大。

3.3 三軸加速度計(jì)

（1）基本原理：

三軸加速度計(jì)是一種慣性傳感器，能夠測(cè)量物體的比力，即去掉重力后的整體加速度或者是單位質(zhì)量上作用的非引力。當(dāng)加速度計(jì)保持靜止時(shí)，加速度計(jì)能夠感知重力加速度，此時(shí)整體加速度為零。在自由落體運(yùn)動(dòng)中，整體加速度就是重力加速度，但加速度計(jì)內(nèi)部處于失重狀態(tài)，此時(shí)三軸加速度計(jì)輸出為零。

（2）加速度計(jì)的校正：

一般校正：需要外部標(biāo)定設(shè)備，精確度很高但比較麻煩。

自動(dòng)校正：不需要外部標(biāo)定設(shè)備，比較簡單但精度度略差。

（3）加速度計(jì)的測(cè)量模型：

加速度計(jì)固聯(lián)在機(jī)體軸上，測(cè)量的是三個(gè)機(jī)體軸方向上的比力，記為am∈R3，可以表示為=+ba+na。

：校正后測(cè)量的比力;

：真實(shí)的比力;

ba：漂移;

na：高斯白噪聲;

（4）加速度計(jì)的特點(diǎn)：抗干擾性好，采樣頻率大，數(shù)據(jù)更新快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

4 多傳感器數(shù)據(jù)融合的優(yōu)勢(shì)分析

多旋翼在飛行時(shí)通過GPS可以獲得當(dāng)前的位置，聯(lián)合氣壓計(jì)可以進(jìn)一步獲得當(dāng)前更為精確的多旋翼的位置信息。首先定義絕對(duì)位置為P=[Px Py Pz]T∈R3。

過程模型可以表示為：=R（-ba-na）+ge3。

觀測(cè)模型可以表示為：PxGPS=+;PyGPS=+ 。

dbaro=-++

觀測(cè)模型中有GPS和氣壓計(jì)，其中GPS來觀測(cè)的是水平的位置，而氣壓計(jì)測(cè)量的是豎直方向上的高度。由于氣壓計(jì)和GPS數(shù)據(jù)更新較慢的特點(diǎn)，相對(duì)于加速度計(jì)會(huì)有一定的滯后。所以不能直接用這三個(gè)傳感器同一時(shí)間的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理去估計(jì)四旋翼飛行器的當(dāng)前位置。應(yīng)該先把此刻三軸加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)保存起來，與下一時(shí)刻氣壓計(jì)和GPS的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，才能更加準(zhǔn)確的估計(jì)四旋翼的位置。

圖1為氣壓計(jì)與加速度計(jì)融合的數(shù)據(jù)效果圖，通過延遲回路算法的處理，減輕了由GPS和氣壓計(jì)延遲所帶來的干擾。融合后得到的高度信息更為精確，偏差明顯變小。

5 結(jié)語

本文采用多傳感器數(shù)據(jù)融合對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行位置估計(jì)，利用加速度計(jì)、氣壓計(jì)、GPS三類傳感器對(duì)位置信息進(jìn)行測(cè)量。利用GPS與氣壓計(jì)數(shù)據(jù)輸出滯后于加速度計(jì)的特點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)GPS與氣壓計(jì)的輸出數(shù)據(jù)與加速度計(jì)上一時(shí)刻的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)合，從而更為精準(zhǔn)的估計(jì)四旋翼飛行器的位置?；驹硎抢眠@些傳感器的信息互補(bǔ)的特性，通過多個(gè)傳感器信號(hào)的融合對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行更為有效的位置估計(jì)。多傳感器數(shù)據(jù)融合與單傳感器處理相比有很大的優(yōu)勢(shì)。

一方面當(dāng)某一傳感器無法正常工作時(shí)，還能有其他傳感器可以提供相關(guān)的信息，提供了飛行器的容錯(cuò)性，從而生存能力更強(qiáng)。另一方面提高了位置估計(jì)的可信度與準(zhǔn)確度。

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