基于回路反饋法修正的四旋翼位置估計算法研究

羅棟 何國民 劉俊景

摘 要：多旋翼無人機(jī)具有成本低、無人員傷亡風(fēng)險、生存能力強(qiáng)、機(jī)動性能好、使用方便等的優(yōu)勢，在航空拍照、地質(zhì)測量、高壓輸電線路巡視、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。無論應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行哪項工作，空中懸停這一基本的飛行模式總是不可或缺的。在如今無人機(jī)正被逐漸應(yīng)用的階段，對其進(jìn)行精確的空間定位懸停方法的研究尤為重要。本文針對在室外空曠環(huán)境下，利用加速度計、氣壓計、GPS模塊的與電子羅盤等傳感器對高度與位置進(jìn)行測量，研究設(shè)計了一種多元信息融合的回路反饋法，用于無人機(jī)空間位置估計。

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

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

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle）自主飛行技術(shù)多年來一直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，并且在實際應(yīng)用中存在大量的需求。在眾多領(lǐng)域應(yīng)用中，對無人機(jī)的精準(zhǔn)度、可靠性等方面要求較高。多旋翼無人機(jī)是一個欠驅(qū)系統(tǒng)，需要姿態(tài)和位置的閉環(huán)控制才能實現(xiàn)自主懸停和機(jī)動飛行。

在室內(nèi)，無人機(jī)實現(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，這些傳感器的測量范圍比較小，傳感器作用不能有效發(fā)揮?？紤]到四旋翼無人機(jī)的控制特點(diǎn)，為了實現(xiàn)無人機(jī)準(zhǔn)確的位置控制需要實時地獲得無人機(jī)當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)，包括空間運(yùn)動速度信息、空間位置信息。運(yùn)動狀態(tài)信息的獲取依賴于3類傳感器：MEMS加速度傳感器，氣壓傳感器以及GPS。然而這三類傳感器信號都存在固有的缺陷，單一的傳感器信號無法直接應(yīng)用于無人機(jī)的位置控制。以合適的算法融合這三類傳感器信號，達(dá)到互相補(bǔ)償各自信號缺陷的目的。

1 回路反饋法

對于四旋翼的懸停定位的實現(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、可靠的實現(xiàn)懸停定位。下面對比三種方式在Z軸方向上獲取高度、速度、加速度信息數(shù)據(jù)。

針對氣壓傳感器、GPS最大采樣頻率小與經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波造成時延導(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)散等一系列問題。將采用慣性器件與氣壓傳感器、GPS等位置觀測器件進(jìn)行互補(bǔ)融合來對位置、速度、加速度的精準(zhǔn)估算。

該濾波算法迭代簡單，適用于工程實踐。該算法的核心思想為實時地獲得加速度傳感器測量誤差的無偏估計值，從而對加速度傳感器的測量值進(jìn)行動態(tài)修正，最后利用修正后的加速度信息進(jìn)行積分估計無人機(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題，同樣適用于其他傳感器，如超聲波、視覺里程計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，采樣頻率與更新實時性要求比較高，而觀測傳感器（氣壓計、GPS、超聲波、視覺里程計等）更新相對比較慢（或者數(shù)據(jù)噪聲比較大，通常需要低通造成滯后）。在無人機(jī)動態(tài)條件下，本次采樣的得到的帶滯后觀測量（高度、水平位置）已經(jīng)不能反映最新狀態(tài)量（慣導(dǎo)位置），可以認(rèn)定傳感器在通帶內(nèi)的延時時間具有一致性（或者取有效帶寬內(nèi)的平均延時值），即當(dāng)前觀測量只能反映系統(tǒng)N*dt時刻前的狀態(tài)，所以狀態(tài)誤差（在這里指的是氣壓計與慣導(dǎo)高度、GPS水平位置與慣導(dǎo)水平位置）采用當(dāng)前觀測量與當(dāng)前慣導(dǎo)做差的方式不可取，將慣導(dǎo)的估計位置用數(shù)組存起來，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GPS解析出來的經(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。其觀測器件由氣壓計轉(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)相對于氣壓計數(shù)據(jù)其更新與濾波延遲得到顯著改善。當(dāng)上下左右拖動的時候，數(shù)據(jù)輸出能夠隨機(jī)體運(yùn)動變化。經(jīng)過回路反饋算法處理，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)計研究了回路反饋法修正的四旋翼位置估計算法。使用慣導(dǎo)器件通過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題，也適用于其它具有類似信號特點(diǎn)的傳感器與加速度傳感器融合的組合導(dǎo)航問題。由于準(zhǔn)確的位置估計是實現(xiàn)無人機(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算法的有效性。

參考文獻(xiàn)：

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項目類型：廣西區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（201710595169）

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