基于实时操作系统的无人机飞控系统EKF滤波器应用与实现
发布时间：2021-03-24 11:34
飞行控制系统是无人机的核心,操控着无人机自主飞行。无人机要求能够按照规定的航线稳定飞行,首先需要获取姿态信息,其次才能确定控制量调整飞行姿态。姿态的获取作为飞控的首要目标和任务在飞控的相关研究中至关重要。姿态的获取依靠姿态测量系统,即传感器和姿态解算算法。无人机因其体积、成本、功耗的限制,在传感器上通常选择微机电（MEMS）惯性传感器,如3轴陀螺仪、3轴加速度计等,单一的惯性传感器无法长时间获得稳定可靠的信息,所以需要加入别的辅助传感器,如磁力计,组合形成多传感器姿态测量系统。对于多个传感器提供的多类型数据,需利用滤波算法进行融合,并估计出最优的姿态角,为后续姿态控制提供良好输入。本文在分析和对比了常用的滤波融合算法之后,选择了数据存储量小、估计效果优、在工程中使用最为广泛的卡尔曼滤波（KF）和扩展卡尔曼滤波（EKF）来对各传感器进行数据融合和状态估计。为提高精度和长期稳定性,将陀螺仪、加速度计、磁力计组合起来形成多传感器测量单元,并对各个传感器的原始数据误差进行了建模和校正。设计13阶EKF姿态估计器,能对上述3个传感器的9项数据进行融合,估计出3个姿态角显示在地面站上,通过实验对比...
【文章来源】：武汉工程大学湖北省
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
四旋翼无人机结构
具有 3 个 16 位 ADC，将测得的各模拟量相应地转化为数字量。为了精确跟踪不同速度的运动，传感器的测量范围可控，陀螺仪的可测范围为 ± 250°/s、 ± 500°/s、 ± 1000°/s和 ± 2000°/s，加速度计的可测范围为 ± 2g、 ± 4g、 ± 8g和 ± 16g。另外，MPU6050 上还集成了一个可扩展的数字运动处理器、一个在工作环境下仅有 ± 1%变动的振荡器、一个能实时感知环境温度并对 MPU6050 进行温度补偿的温度传感器。MPU6050 支持 SPI 和 I2C 两种总线访问方式，在本文飞控系统中，为了能够共享总线，MPU6050 选择通过 I2C 总线连接微处理器芯片，原理图如 2.4 所示：
图 2.5 磁力计 HMC5883L 原理图（3）气压高度计 MPL3115气压高度计通过测量气体的绝对压强来间接测量飞行器高度，由地球表面大气密度不等，通常随着高度上升而减小，由空气重力产的大气压强也就随之减小，它们之间存在线性关系，依据这种线性系就可以间接测量飞行器高度。气压计的主要传感元件是一个对气强度敏感的薄膜，被测气体的压力降低或者升高会导致薄膜变形带顶针，同时改变外围电路连接的电阻，施加 0~3V 的信号电压，经 A/D 转换由数据采集器接受。本文飞控系统中采用飞思卡尔（现智浦）半导体公司的 MPL3115 气压高度计，其内部集成了一个微械的气压传感器，配备了一个 24 位高精度 ADC，并采用 I2C 接口主机相连，原理图如下：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于梯度下降法和互补滤波的航向姿态参考系统[J]. 陈亮,杨柳庆,肖前贵. 电子设计工程. 2016(24)
[2]椭球拟合的电子罗盘磁差补偿[J]. 孙倩,付虹. 传感器与微系统. 2016(09)
[3]基于多新息理论的EKF算法研究[J]. 吕国宏,秦品乐,苗启广,刘毛毛,焦蓬斐. 小型微型计算机系统. 2016(03)
[4]互补滤波算法在四旋翼飞行器姿态解算中的应用[J]. 万晓凤,康利平,余运俊,林伟财. 测控技术. 2015(02)
[5]四旋翼姿态解算算法的对比与研究[J]. 王晓初,卢琛. 制造业自动化. 2015(02)
[6]嵌入式操作系统FreeRTOS的原理与移植实现[J]. 张龙彪,张果,王剑平,王刚. 信息技术. 2012(11)
[7]几种嵌入式实时操作系统的分析与比较[J]. 胡曙辉,陈健. 单片机与嵌入式系统应用. 2007(05)
[8]常用嵌入式实时操作系统比较分析[J]. 郁发新. 计算机应用. 2006(04)
[9]嵌入式操作系统FreeRTOS的原理与实现[J]. 刘滨,王琦,刘丽丽. 单片机与嵌入式系统应用. 2005(07)
[10]四阶龙格—库塔法在捷联惯导系统姿态解算中的应用[J]. 张春慧,吴简彤,何昆鹏,周雪梅. 应用科技. 2005(06)
博士论文
[1]SINS/GPS组合测量中的捷联算法与组合滤波技术研究[D]. 汤传业.东南大学 2016
[2]多旋翼无人机的姿态与导航信息融合算法研究[D]. 张欣.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[3]MEMS-SINS/GPS组合导航关键技术研究[D]. 崔留争.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[4]MEMS-IMU误差分析补偿与实验研究[D]. 代刚.清华大学 2011
[5]微小型无人直升机飞控平台与姿态融合算法研究[D]. 徐玉.浙江大学 2008
[6]无人直升机状态估计算法研究[D]. 王建文.国防科学技术大学 2008
[7]MSINS/GPS组合导航系统及其数据融合技术研究[D]. 马云峰.东南大学 2006
硕士论文
[1]基于捷联惯导系统的小型无人机姿态解算及控制算法研究[D]. 杨越.西安电子科技大学 2017
[2]基于MEMS传感器的组合导航系统研究[D]. 朱誉品.重庆大学 2017
[3]旋翼无人机的姿态测量与组合导航算法研究[D]. 刘洪剑.湖南大学 2017
[4]多旋翼无人机位姿估计与控制技术研究[D]. 张翔.南京航空航天大学 2017
[5]高动态惯性/卫星组合导航技术研究[D]. 韩乃龙.南京理工大学 2017
[6]基于STM32的小型无人机飞行控制系统设计[D]. 杨磊.东北农业大学 2016
[7]小型无人机飞控系统硬件及航姿参考系统的设计与实现[D]. 梁爽.重庆大学 2016
[8]基于多个惯性传感器的姿态融合算法研究[D]. 武健.哈尔滨工业大学 2015
[9]四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究[D]. 何瑜.电子科技大学 2015
[10]四轴飞行器自主飞行的研究[D]. 徐大远.长沙理工大学 2015
本文编号：3097648
【文章来源】：武汉工程大学湖北省
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
四旋翼无人机结构
具有 3 个 16 位 ADC，将测得的各模拟量相应地转化为数字量。为了精确跟踪不同速度的运动，传感器的测量范围可控，陀螺仪的可测范围为 ± 250°/s、 ± 500°/s、 ± 1000°/s和 ± 2000°/s，加速度计的可测范围为 ± 2g、 ± 4g、 ± 8g和 ± 16g。另外，MPU6050 上还集成了一个可扩展的数字运动处理器、一个在工作环境下仅有 ± 1%变动的振荡器、一个能实时感知环境温度并对 MPU6050 进行温度补偿的温度传感器。MPU6050 支持 SPI 和 I2C 两种总线访问方式，在本文飞控系统中，为了能够共享总线，MPU6050 选择通过 I2C 总线连接微处理器芯片，原理图如 2.4 所示：
图 2.5 磁力计 HMC5883L 原理图（3）气压高度计 MPL3115气压高度计通过测量气体的绝对压强来间接测量飞行器高度，由地球表面大气密度不等，通常随着高度上升而减小，由空气重力产的大气压强也就随之减小，它们之间存在线性关系，依据这种线性系就可以间接测量飞行器高度。气压计的主要传感元件是一个对气强度敏感的薄膜，被测气体的压力降低或者升高会导致薄膜变形带顶针，同时改变外围电路连接的电阻，施加 0~3V 的信号电压，经 A/D 转换由数据采集器接受。本文飞控系统中采用飞思卡尔（现智浦）半导体公司的 MPL3115 气压高度计，其内部集成了一个微械的气压传感器，配备了一个 24 位高精度 ADC，并采用 I2C 接口主机相连，原理图如下：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于梯度下降法和互补滤波的航向姿态参考系统[J]. 陈亮,杨柳庆,肖前贵. 电子设计工程. 2016(24)
[2]椭球拟合的电子罗盘磁差补偿[J]. 孙倩,付虹. 传感器与微系统. 2016(09)
[3]基于多新息理论的EKF算法研究[J]. 吕国宏,秦品乐,苗启广,刘毛毛,焦蓬斐. 小型微型计算机系统. 2016(03)
[4]互补滤波算法在四旋翼飞行器姿态解算中的应用[J]. 万晓凤,康利平,余运俊,林伟财. 测控技术. 2015(02)
[5]四旋翼姿态解算算法的对比与研究[J]. 王晓初,卢琛. 制造业自动化. 2015(02)
[6]嵌入式操作系统FreeRTOS的原理与移植实现[J]. 张龙彪,张果,王剑平,王刚. 信息技术. 2012(11)
[7]几种嵌入式实时操作系统的分析与比较[J]. 胡曙辉,陈健. 单片机与嵌入式系统应用. 2007(05)
[8]常用嵌入式实时操作系统比较分析[J]. 郁发新. 计算机应用. 2006(04)
[9]嵌入式操作系统FreeRTOS的原理与实现[J]. 刘滨,王琦,刘丽丽. 单片机与嵌入式系统应用. 2005(07)
[10]四阶龙格—库塔法在捷联惯导系统姿态解算中的应用[J]. 张春慧,吴简彤,何昆鹏,周雪梅. 应用科技. 2005(06)
博士论文
[1]SINS/GPS组合测量中的捷联算法与组合滤波技术研究[D]. 汤传业.东南大学 2016
[2]多旋翼无人机的姿态与导航信息融合算法研究[D]. 张欣.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[3]MEMS-SINS/GPS组合导航关键技术研究[D]. 崔留争.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[4]MEMS-IMU误差分析补偿与实验研究[D]. 代刚.清华大学 2011
[5]微小型无人直升机飞控平台与姿态融合算法研究[D]. 徐玉.浙江大学 2008
[6]无人直升机状态估计算法研究[D]. 王建文.国防科学技术大学 2008
[7]MSINS/GPS组合导航系统及其数据融合技术研究[D]. 马云峰.东南大学 2006
硕士论文
[1]基于捷联惯导系统的小型无人机姿态解算及控制算法研究[D]. 杨越.西安电子科技大学 2017
[2]基于MEMS传感器的组合导航系统研究[D]. 朱誉品.重庆大学 2017
[3]旋翼无人机的姿态测量与组合导航算法研究[D]. 刘洪剑.湖南大学 2017
[4]多旋翼无人机位姿估计与控制技术研究[D]. 张翔.南京航空航天大学 2017
[5]高动态惯性/卫星组合导航技术研究[D]. 韩乃龙.南京理工大学 2017
[6]基于STM32的小型无人机飞行控制系统设计[D]. 杨磊.东北农业大学 2016
[7]小型无人机飞控系统硬件及航姿参考系统的设计与实现[D]. 梁爽.重庆大学 2016
[8]基于多个惯性传感器的姿态融合算法研究[D]. 武健.哈尔滨工业大学 2015
[9]四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究[D]. 何瑜.电子科技大学 2015
[10]四轴飞行器自主飞行的研究[D]. 徐大远.长沙理工大学 2015
本文编号：3097648
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