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        強(qiáng)磁干擾環(huán)境下無人機(jī)航向的修正方法研究

        2020-09-21 10:31:30張寶譯
        工程技術(shù)研究 2020年14期
        關(guān)鍵詞:磁力計(jì)強(qiáng)磁航向

        張寶譯

        (山東師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250358)

        現(xiàn)今,無人機(jī)被應(yīng)用在測繪、安防、巡檢等多個領(lǐng)域。姿態(tài)信息(俯仰角、橫滾角、航向角)是決定無人機(jī)飛行穩(wěn)定的重要因素之一。姿態(tài)信息中,航向角十分重要,其多采用磁力計(jì)測量所在位置的磁場信息,與當(dāng)?shù)氐厍虼艌鲂畔⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理來確定,以此獲得無人機(jī)的初始航向角以及修正陀螺儀的時間累計(jì)誤差,維持無人機(jī)航向角的正確與穩(wěn)定。但是在強(qiáng)磁干擾環(huán)境下,無人機(jī)上的磁力計(jì)傳感器測量的數(shù)據(jù)不再是所在位置的地磁信息,不能夠確定無人機(jī)的航向角,而無人機(jī)航向角度不準(zhǔn)確會直接影響無人機(jī)的位置信息的計(jì)算,極易發(fā)生飛行事故。因而,強(qiáng)磁干擾環(huán)境下如何準(zhǔn)確得到符合無人機(jī)高動態(tài)控制要求的航向角度的研究關(guān)系到無人機(jī)的正??刂坪惋w行安全,具有十分重要的工程應(yīng)用價值,對其研究具有非常重要的意義。

        在強(qiáng)磁干擾環(huán)境下,磁力計(jì)無法使用,可以使用其他手段獲得角度。比如,使用差分定向技術(shù)測量航向角度信息,但是差分定向技術(shù)輸出測量角度的頻率慢(5~10Hz)、精度低(與兩天線之間的距離有關(guān)),無法滿足無人機(jī)的高動態(tài)控制要求,不能直接使用,因此必須將差分航向角度與無人機(jī)姿態(tài)信息進(jìn)行融合處理,從而得到動態(tài)性能好、準(zhǔn)確度高的無人機(jī)航向角數(shù)據(jù)。文章對差分定向測量的航向角與無人機(jī)姿態(tài)信息如何進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理進(jìn)行研究,給出了一種實(shí)時、便捷的數(shù)據(jù)融合方法。

        1 無人機(jī)姿態(tài)更新概述

        1.1 姿態(tài)更新方法

        用于無人機(jī)姿態(tài)更新的算法有許多種,如方向余弦法、歐拉角法、四元數(shù)法等。

        四元數(shù)是定義由4個元構(gòu)成的數(shù):Q(q0,q1,q2,q3)=q0+q1i+q2j+q3k,其中,q0、q1、q2、q3是實(shí)數(shù),i、j、k既是互相正交的單位向量又是虛單位。

        三維空間的任意一次旋轉(zhuǎn),都能夠用三維空間內(nèi)的某一個軸旋轉(zhuǎn)一定的角度來表示。這種方法中,某一個軸可以用三維向量(x,y,z)表示,一定的角度可以用θ表示。簡單地說,三維向量(x,y,z)和角度θ組成的四維向量(θ,x,y,z)可以表示出三維空間內(nèi)的任意旋轉(zhuǎn)。其中,三維向量(x,y,z)用來表示旋轉(zhuǎn)軸的方向,因此可以用單位向量來表示此旋轉(zhuǎn)軸的方向。

        單位向量(x,y,z)旋轉(zhuǎn)θ角度的四元數(shù)為。相較于歐拉角法和旋轉(zhuǎn)矩陣法,四元數(shù)法表示更加緊湊,計(jì)算量也小一些,是一種比較常用的方法。文章姿態(tài)更新采用四元數(shù)更新算法。

        1.2 強(qiáng)磁干擾環(huán)境下航向角測量概況

        在強(qiáng)磁干擾環(huán)境下,磁力計(jì)無法使用,因此需要尋找一種能夠不受強(qiáng)磁環(huán)境干擾穩(wěn)定輸出航向角度的傳感器或設(shè)備。

        差分GPS設(shè)備可以利用RTK雙天線技術(shù),將2根天線固定在載體的特定位置,根據(jù)載波相位差分原理,計(jì)算出載體在大地坐標(biāo)系的航向角。因此,可以在無人機(jī)上的固定位置放置2根GPS天線,通過差分定向技術(shù)獲得無人機(jī)的航向角。

        差分定向獲取的航向角度,更新頻率慢、精度低,不能滿足無人機(jī)高動態(tài)控制要求,無法直接使用。為了滿足無人機(jī)飛行控制對于航向角度高動態(tài)、實(shí)時性和準(zhǔn)確性的要求,文章提出一種以差分定向測量航向角為標(biāo)定量,實(shí)時計(jì)算(修正)無人機(jī)航向角的方法。既解決了強(qiáng)磁干擾下無航向糾正信息導(dǎo)致的航向角度錯誤問題,也解決了強(qiáng)磁干擾下無航向糾正信息導(dǎo)致的在航向角度計(jì)算上的陀螺儀時間累計(jì)誤差,使得無人機(jī)可以在強(qiáng)磁干擾下,依然可以獲取穩(wěn)定的航向角度信息。

        2 強(qiáng)磁干擾環(huán)境下無人機(jī)航向的修正技術(shù)

        2.1 無人機(jī)航向角修正技術(shù)思路及難點(diǎn)

        無人機(jī)采集自身陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器數(shù)據(jù),采用相關(guān)算法實(shí)時計(jì)算其姿態(tài),得到包含姿態(tài)信息的數(shù)據(jù),如四元數(shù)。無人機(jī)更新姿態(tài)的簡要流程圖如圖1所示。

        在強(qiáng)磁干擾環(huán)境下,磁力計(jì)無法使用,可根據(jù)圖1計(jì)算出的四元數(shù)Qb,不能保證包含正確的航向角姿態(tài)信息。為此,設(shè)計(jì)一種方法,不再使用易受強(qiáng)磁干擾的磁力計(jì),使用不受強(qiáng)磁干擾影響的差分定向技術(shù)獲取無人機(jī)的航向角度原始值,修正無磁力計(jì)傳感器數(shù)據(jù)參與而計(jì)算出的包含姿態(tài)信息的四元數(shù)Qb,經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理,最終得到經(jīng)過修正的四元數(shù)Qc。該方法的難點(diǎn),也是文章研究的重點(diǎn),是如何將差分定向獲取的航向角度原始值與正常姿態(tài)更新計(jì)算出的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,進(jìn)而得到經(jīng)過修正的姿態(tài)數(shù)據(jù)Qc。該方法的流程圖如圖2所示。

        圖1 姿態(tài)更新簡要流程圖

        圖2 文章所用方法的基本流程圖

        圖2中,利用差分定向測量的航向角度數(shù)據(jù)與新計(jì)算出的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理是本方法的難點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn),其原理是將差分定向測量的航向角作為標(biāo)定量,新計(jì)算出的姿態(tài)數(shù)據(jù)中的航向角作為待修正量,兩者之間的差值即為航向角度修正量。將待修正量修正到標(biāo)定量上,可以等效為一次三維空間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。假設(shè)無人機(jī)使用的導(dǎo)航坐標(biāo)系方向?yàn)椋∟ED-北東地),那么此次修正的旋轉(zhuǎn)軸為(0,0,1),旋轉(zhuǎn)的角度即為修正量。

        2.2 無人機(jī)航向角修正技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

        無人機(jī)姿態(tài)更新系統(tǒng)使用不含磁力計(jì)數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)據(jù)、上一次四元數(shù)數(shù)據(jù)Qa,按照正常流程進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算,迭代計(jì)算出新的四元數(shù)Qb。

        假設(shè)四元數(shù)Qb里包含的航向角度為βb,差分定向技術(shù)測量的無人機(jī)航向角度為βrtk,則兩者之差為航向角度初始修正量βb=(βrtk-βb)。

        航向角度初始修正量乘比例因子k,得到航向角度修正量βdiffer=(k·βd)。

        構(gòu)建旋轉(zhuǎn)四元數(shù)Qr=[cos(βdiffer/2),0,0,sin(βdiffer/2)]

        根據(jù)四元數(shù)與旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系,利用Qr與Qb的四元數(shù)乘法運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)修正航向角度的目的,即QC=QrQb(符號代表四元數(shù)乘法)。

        假設(shè)四元數(shù)QC=(qc0,qc1,qc2,qc3),四元數(shù)Qb=(qb0,qb1,qb2,qb3),則:

        由此可得,四元數(shù)QC為經(jīng)過差分航向角度修正的四元數(shù)??梢愿鶕?jù)無人機(jī)系統(tǒng)控制需要直接利用四元數(shù)進(jìn)行飛行控制,也可以將QC轉(zhuǎn)換為姿態(tài)角用于無人機(jī)的控制。

        3 方案實(shí)施過程中遇到的問題及解決方法

        在現(xiàn)階段調(diào)研的產(chǎn)品中,差分定向測量航向角的頻率,最高為10Hz,一般為5Hz。而無人機(jī)姿態(tài)計(jì)算的頻率一般為200Hz或更高。因此,以陀螺儀傳感器為主的無人機(jī)自主姿態(tài)計(jì)算為主,當(dāng)差分定向航向角度輸出時,再對姿態(tài)四元數(shù)進(jìn)行修正。

        使用差分定向技術(shù)獲得的航向角,其精度為0.5/L(L為2根天線之間的距離),單位為°。由于無人機(jī)大小的限制,2根天線的距離一般在40~80cm,其精度為0.625~1.25°。

        由于差分定向測量角度的精度偏低,因此將其作為標(biāo)定量,在差分定向標(biāo)志位指示差分定向數(shù)據(jù)可用時,以差分定向測量角度與此時解算角度求差,然后乘比例系數(shù),得到需要修正的角度量。

        比例系數(shù)k可根據(jù)工程實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié),差分定向測量精度不高,比例系數(shù)過大,每次得到的航向角度修正量就會偏大,造成航向角度修正過于“猛烈”,不利于電機(jī)的響應(yīng)及無人機(jī)的控制。如果比例系數(shù)過小,得到的航向角度修正量就會偏小,雖然在修正航向角度的“平滑性”上會好,但是會造成修正時間過長、延時過大、實(shí)時性下降,不符合無人機(jī)控制的高動態(tài)性要求。

        4 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

        4.1 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

        安裝好雙天線(天線距離約0.5m)的無人機(jī),靜止放置在戶外空曠處。采集同一時間段內(nèi)(20min),經(jīng)過差分定向測量航向角修正的無人機(jī)航向角度和差分定向測量的航向角度,并分析2組數(shù)據(jù)的均值和方差。

        4.2 動態(tài)實(shí)驗(yàn)

        無人機(jī)在空中做快速轉(zhuǎn)動的過程中,動態(tài)實(shí)驗(yàn)航向角度數(shù)據(jù)對比圖如圖3所示。其中,采集差分定向測量的航向角度如圖3中虛線所示,經(jīng)過差分定向數(shù)據(jù)修正的航向角度如圖3中實(shí)線所示。

        圖3 動態(tài)實(shí)驗(yàn)航向角度數(shù)據(jù)

        4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

        (1)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。差分定向測量的航向角度方差為0.0633,均值為205.2386。經(jīng)過修正的航向角度,其方差為0.0273,均值為205.2704。經(jīng)過修正的航向角相較于差分定向測量航向角,方差更小,曲線更為平滑,且無角度漂移現(xiàn)象發(fā)生,始終被差分定向測量航向角修正,維持在正確的航向角度上。

        (2)動態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖3中的的數(shù)據(jù)顯示,經(jīng)過修正的航向角度不僅維持了實(shí)時性好的特點(diǎn),而且始終被差分測量航向角度修正,且瞬時波動值更小。從圖3的兩條曲線可以看出,經(jīng)過修正的航向角度的平滑性明顯優(yōu)于差分定向原始測量角度。

        (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)。通過對無人機(jī)在靜止和運(yùn)動狀態(tài)下采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出,利用文章所提方法進(jìn)行修正的航向角度不僅維持了高實(shí)時性、高平滑性,而且始終被差分航向角度準(zhǔn)確修正,沒有發(fā)生時間累積誤差,完全滿足了研究要求,能夠解決無人機(jī)在強(qiáng)磁干擾環(huán)境下的航向角度測量問題。

        5 結(jié)束語

        普通無人機(jī)通常使用磁力計(jì)傳感器來確定航向角度,在強(qiáng)磁干擾情況下(如鋼鐵結(jié)構(gòu)大橋附近、高壓電線附近或地下鐵礦附近等)不能正確測量航向角,容易導(dǎo)致無人機(jī)控制異常,影響飛行器自身及周邊人員、環(huán)境的安全。為此,文章設(shè)計(jì)了一種方案,利用差分定向技術(shù)獲取航向角度,并提出了一種利用差分航向角與無人機(jī)自身姿態(tài)更新數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理的方法,該方法實(shí)用、快速,能夠在強(qiáng)磁干擾環(huán)境下準(zhǔn)確獲得無人機(jī)航向角度,保證了無人機(jī)在強(qiáng)磁環(huán)境下的飛行安全,具有十分重要的實(shí)用價值。

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