基于误差四元数UKF算法的四旋翼姿态测量系统设计
发布时间：2021-08-02 09:01
四旋翼姿态测量系统是四旋翼的重要组成部分,针对MEMS姿态测量系统测量精度不高、受外界干扰影响较大的问题,本文设计并实现了一个低成本的MEMS姿态测量系统,重点研究姿态测量系统中的数据融合问题。使用误差四元数的方法构建系统状态方程和量测方程,结合UKF算法实现数据融合,以提高姿态测量精度。考虑姿态测量系统高动态环境下,机械振动较大,外界噪声干扰对传感器影响较大,量测噪声具有未知且变换较大的特性,提出了一种自适应滤波算法,自适应调节噪声协方差矩阵,保证四旋翼在高动态下的平稳飞行。最后,采用嵌入式系统设计实现姿态测量系统整体功能,并对其性能进行实验验证。首先,对国内外姿态测量系统发展情况以及数据融合与姿态解算方法进行分析与总结,并考虑实际成本等因素,确定姿态测量系统的总体方案。本文使用低成本MEMS陀螺仪、加速度计和磁强计构成姿态测量系统的主要传感器,并结合数据融合以及姿态解算方法实现四旋翼姿态的测量。其次,对姿态解算的过程进行分析,使用四元数的方法进行姿态解算,实现姿态测量系统的全姿态工作。并分析MEMS传感器的误差来源,以方便建立较为准确的传感器模型,在四元数的基础上,对传感器进行姿态...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AHRS500GA型姿态测量系统
研究的重点内容[9]。从上个世纪开始，国外的先进学者已经意识到其广泛的应用手进行平台姿态测量系统的研究。近几十年，微型传感器技术、微处理器技术、等方面的迅速发展，美国、俄罗斯、法国、德国等西方发达国家在测姿测量领域，也出现了许多专门研究姿态测量系统的公司，如 XSENS 公司、SBG 公司、C[10]。姿态测量系统的测量方法为越来越多，除了惯性姿态测量系统外还出现了卫统，基于机器视觉的姿态测量系统等，考虑到小型四旋翼姿态测量成本等因素，基于 MEMS 的低成本惯性姿态测量系统。998 年 Crossbow 公司研发出完全基于 MEMS 器件的惯性测量单元，为惯性器件在中的应用奠定了基础。其中，Crossbow 公司研发的 AHRS500GA 型姿态测量系示，该姿态测量系统使用四元数的方法进行姿态解算，保证了系统可以实现全姿MEMS 陀螺仪加速度计等传感器，并用经典的卡尔曼滤波（Kalman Filter，KF）对行融合，该系统在静态环境下测量精度达 0.5°，在动态情况下该系统也有较高的测量系统已经广泛的应用到航空领域中。2002 年，美国的 Innalabs 公司推出了一态测量系统 AHRS-M2 如图 1.2 所示，该测量系统进行了磁场校正功能，短时间会影响其测量精度，该系统静态测量精度小于 0.3°，动态测量精度在 0.4°[11]。
1998 年 Crossbow 公司研发出完全基于 MEMS 器件的惯性测量单元，为惯性器件在姿统中的应用奠定了基础。其中，Crossbow 公司研发的 AHRS500GA 型姿态测量系统所示，该姿态测量系统使用四元数的方法进行姿态解算，保证了系统可以实现全姿态 MEMS 陀螺仪加速度计等传感器，并用经典的卡尔曼滤波（Kalman Filter，KF）对传进行融合，该系统在静态环境下测量精度达 0.5°，在动态情况下该系统也有较高的测该测量系统已经广泛的应用到航空领域中。2002 年，美国的 Innalabs 公司推出了一款姿态测量系统 AHRS-M2 如图 1.2 所示，该测量系统进行了磁场校正功能，短时间的不会影响其测量精度，该系统静态测量精度小于 0.3°，动态测量精度在 0.4°[11]。图 1. 1 AHRS500GA 型姿态测量系统 图 1. 2 AHRS-M2 姿态测量系统
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于STM32F407扩展卡尔曼软启动器设计和实现[J]. 董锦旗,郝晓红. 制造业自动化. 2017(09)
[2]MARG传感器误差分析与标定方法研究[J]. 梁益丰,许微,曹勇. 舰船电子工程. 2017(09)
[3]基于非线性Kalman滤波的导航系统误差补偿技术[J]. 沈凯,聂吾希斌K.A.,刘荣忠,普拉列达尔斯基A.V.,郭锐. 国防科技大学学报. 2017(02)
[4]基于MAEKF算法的航姿参考系统设计[J]. 王丁伟,祖家奎,黄海. 传感技术学报. 2017(02)
[5]基于MPU6050和互补滤波的四旋翼飞控系统设计[J]. 张承岫,李铁鹰,王耀力. 传感技术学报. 2016(07)
[6]基于误差四元数的单兵导航系统算法[J]. 于飞,白红美,叶攀,高伟,赵博. 传感器与微系统. 2015(09)
[7]基于无迹卡尔曼滤波的四旋翼无人飞行器姿态估计算法[J]. 朱岩,付巍. 测试技术学报. 2014(03)
[8]基于STM32的无人机姿态测量系统设计[J]. 刘辉邦,褚金奎,支炜,李晓雨. 传感器与微系统. 2013(08)
[9]改进的Sage-Husa滤波在精确空投组合导航系统中的应用[J]. 牛振中,李岁劳,王青青,任鸿飞. 科学技术与工程. 2012(25)
[10]航姿参考系统三轴磁强计校正的点积不变法[J]. 李翔,李智. 仪器仪表学报. 2012(08)
硕士论文
[1]微型航姿参考系统的磁标定和误差补偿方法研究[D]. 费洁.上海交通大学 2014
[2]MIMU/磁强计航姿参考系统研究[D]. 盛庆轩.国防科学技术大学 2009
[3]基于MEMS的微小型嵌入式航姿参考系统研究[D]. 陈宇捷.上海交通大学 2009
本文编号：3317283
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AHRS500GA型姿态测量系统
研究的重点内容[9]。从上个世纪开始，国外的先进学者已经意识到其广泛的应用手进行平台姿态测量系统的研究。近几十年，微型传感器技术、微处理器技术、等方面的迅速发展，美国、俄罗斯、法国、德国等西方发达国家在测姿测量领域，也出现了许多专门研究姿态测量系统的公司，如 XSENS 公司、SBG 公司、C[10]。姿态测量系统的测量方法为越来越多，除了惯性姿态测量系统外还出现了卫统，基于机器视觉的姿态测量系统等，考虑到小型四旋翼姿态测量成本等因素，基于 MEMS 的低成本惯性姿态测量系统。998 年 Crossbow 公司研发出完全基于 MEMS 器件的惯性测量单元，为惯性器件在中的应用奠定了基础。其中，Crossbow 公司研发的 AHRS500GA 型姿态测量系示，该姿态测量系统使用四元数的方法进行姿态解算，保证了系统可以实现全姿MEMS 陀螺仪加速度计等传感器，并用经典的卡尔曼滤波（Kalman Filter，KF）对行融合，该系统在静态环境下测量精度达 0.5°，在动态情况下该系统也有较高的测量系统已经广泛的应用到航空领域中。2002 年，美国的 Innalabs 公司推出了一态测量系统 AHRS-M2 如图 1.2 所示，该测量系统进行了磁场校正功能，短时间会影响其测量精度，该系统静态测量精度小于 0.3°，动态测量精度在 0.4°[11]。
1998 年 Crossbow 公司研发出完全基于 MEMS 器件的惯性测量单元，为惯性器件在姿统中的应用奠定了基础。其中，Crossbow 公司研发的 AHRS500GA 型姿态测量系统所示，该姿态测量系统使用四元数的方法进行姿态解算，保证了系统可以实现全姿态 MEMS 陀螺仪加速度计等传感器，并用经典的卡尔曼滤波（Kalman Filter，KF）对传进行融合，该系统在静态环境下测量精度达 0.5°，在动态情况下该系统也有较高的测该测量系统已经广泛的应用到航空领域中。2002 年，美国的 Innalabs 公司推出了一款姿态测量系统 AHRS-M2 如图 1.2 所示，该测量系统进行了磁场校正功能，短时间的不会影响其测量精度，该系统静态测量精度小于 0.3°，动态测量精度在 0.4°[11]。图 1. 1 AHRS500GA 型姿态测量系统 图 1. 2 AHRS-M2 姿态测量系统
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于STM32F407扩展卡尔曼软启动器设计和实现[J]. 董锦旗,郝晓红. 制造业自动化. 2017(09)
[2]MARG传感器误差分析与标定方法研究[J]. 梁益丰,许微,曹勇. 舰船电子工程. 2017(09)
[3]基于非线性Kalman滤波的导航系统误差补偿技术[J]. 沈凯,聂吾希斌K.A.,刘荣忠,普拉列达尔斯基A.V.,郭锐. 国防科技大学学报. 2017(02)
[4]基于MAEKF算法的航姿参考系统设计[J]. 王丁伟,祖家奎,黄海. 传感技术学报. 2017(02)
[5]基于MPU6050和互补滤波的四旋翼飞控系统设计[J]. 张承岫,李铁鹰,王耀力. 传感技术学报. 2016(07)
[6]基于误差四元数的单兵导航系统算法[J]. 于飞,白红美,叶攀,高伟,赵博. 传感器与微系统. 2015(09)
[7]基于无迹卡尔曼滤波的四旋翼无人飞行器姿态估计算法[J]. 朱岩,付巍. 测试技术学报. 2014(03)
[8]基于STM32的无人机姿态测量系统设计[J]. 刘辉邦,褚金奎,支炜,李晓雨. 传感器与微系统. 2013(08)
[9]改进的Sage-Husa滤波在精确空投组合导航系统中的应用[J]. 牛振中,李岁劳,王青青,任鸿飞. 科学技术与工程. 2012(25)
[10]航姿参考系统三轴磁强计校正的点积不变法[J]. 李翔,李智. 仪器仪表学报. 2012(08)
硕士论文
[1]微型航姿参考系统的磁标定和误差补偿方法研究[D]. 费洁.上海交通大学 2014
[2]MIMU/磁强计航姿参考系统研究[D]. 盛庆轩.国防科学技术大学 2009
[3]基于MEMS的微小型嵌入式航姿参考系统研究[D]. 陈宇捷.上海交通大学 2009
本文编号：3317283
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