基于MEMS传感器的微型无人机飞行控制系统的研究
发布时间：2022-01-26 21:41
由于微型无人机具有低成本、低功耗、机动性高、隐蔽性高等优点,且在众多应用领域中发挥着越来越重要的作用,所以各国公司都在加紧对无人机的开发研究,希望尽快能够占领微型无人机的市场。因此,为了实现低成本、实用性强的微型无人机飞行系统,本文对基于微机电系统（Mico-Eletro-Mechanical System,MEMS）传感器的微型无人机飞行控制系统进行整体设计,并从传感器滤波校准、姿态融合算法、硬件系统以及软件系统四个方面进行研究设计。本文针对低成本MEMS传感器存在严重漂移和噪声干扰等问题,对MEMS传感器的误差来源进行了分析,并对不同的传感器进行了针对性的校准滤波处理,降低了MEMS传感器零偏和噪声的干扰,以保证MEMS传感器输出数据的准确性。算法上,本文针对低成本微型无人机的实际性能以及扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter,EKF）在无人机姿态解算上的应用难题,对传统的EKF进行了工程应用上的改进,提出了一种基于三重优化方法的EKF姿态融合算法,即在EKF输入端加入数据校验和误差判断机制,在EKF输出端加入输出矫正滤波器,在EKF预测更新过程中进行计算优化...
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
加速度计静止下X轴的原始数据图
第二章 MEMS 传感器分析校准及导航原理介绍9图 2.2 加速度计滤波后的数据图2.2.2 MEMS 陀螺仪的误差分析与校准陀螺仪是检测物体所转动时角速度的装置。MEMS 陀螺仪误差一般有两种：确定性误差和随机误差。确定性误差主要包括安装误差和零漂，这些误差可以建立误差模型进行校正；随机误差主要来源于随机噪声，这就需要设计相应的算法进行补偿。根据系数解算方式和补偿原理[31-33]有如下公式： c xx x yx y zx z x x xxy x yy y zy z y y yxz x yz y zz z z z zk w k w k w w bk w k w k w c w bk w k w k w c w b(2-4)上面公式中，xw ，yw，zw 是陀螺仪输出的角速率测量值；xxk ，yyk，zzk 表示陀螺仪的标定系数； xw ，yw
西安电子科技大学硕士学位论文准的标定参数[35]。在软件上，对每次陀螺仪采集的数据采软件校准，以保证陀螺仪输出数据的精确度。MEMS 陀螺仪静止状态下对其 X 轴进行原始数据采集，采集静止时数据的噪声很大，需要对陀螺仪数据进行滑动均值窗大小为 N，通常实验 N 取 5 效果比较好，对陀螺仪数取 5 个数据的平均值作为当前时刻的角速率。图 2.4 就是经过滑动均值滤波后的效果。将下面两个图进行对比，表过滤波后噪声明显降低。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多准则MEMS陀螺随机误差在线建模与实时滤波[J]. 代金华,张丽杰. 传感技术学报. 2016(01)
[2]基于STM32的四旋翼飞行器的姿态最优估计研究[J]. 何川,李智,王勇军. 电子技术应用. 2015(12)
[3]基于四元数改进型互补滤波的MEMS姿态解算[J]. 陈孟元,谢义建,陈跃东. 电子测量与仪器学报. 2015(09)
[4]基于四元数EKF算法的小型无人机姿态估计[J]. 宋宇,翁新武,郭昕刚. 吉林大学学报(理学版). 2015(03)
[5]三轴数字MEMS加速度计现场标定方法[J]. 彭孝东,张铁民,李继宇,闫国琦. 振动.测试与诊断. 2014(03)
[6]基于四元数EKF的低成本MEMS姿态估计算法[J]. 贾瑞才. 传感技术学报. 2014(01)
[7]改进的粒子滤波在四旋翼姿态估计中的应用[J]. 曲仕茹,马志强. 飞行力学. 2013(05)
[8]小型无人机导航系统硬件设计[J]. 黄鑫鑫,闫建国,张宇坤. 科学技术与工程. 2012(23)
[9]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)
[10]无人机组合导航系统的自适应滤波研究[J]. 郭强,李岁劳,贾继超,张梦妮. 计算机仿真. 2012(07)
博士论文
[1]惯性稳定平台中的多传感器控制技术研究[D]. 田竞.电子科技大学 2016
[2]基于四元数非线性滤波的飞行器姿态确定算法研究[D]. 乔相伟.哈尔滨工程大学 2011
本文编号：3611213
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
加速度计静止下X轴的原始数据图
第二章 MEMS 传感器分析校准及导航原理介绍9图 2.2 加速度计滤波后的数据图2.2.2 MEMS 陀螺仪的误差分析与校准陀螺仪是检测物体所转动时角速度的装置。MEMS 陀螺仪误差一般有两种：确定性误差和随机误差。确定性误差主要包括安装误差和零漂，这些误差可以建立误差模型进行校正；随机误差主要来源于随机噪声，这就需要设计相应的算法进行补偿。根据系数解算方式和补偿原理[31-33]有如下公式： c xx x yx y zx z x x xxy x yy y zy z y y yxz x yz y zz z z z zk w k w k w w bk w k w k w c w bk w k w k w c w b(2-4)上面公式中，xw ，yw，zw 是陀螺仪输出的角速率测量值；xxk ，yyk，zzk 表示陀螺仪的标定系数； xw ，yw
西安电子科技大学硕士学位论文准的标定参数[35]。在软件上，对每次陀螺仪采集的数据采软件校准，以保证陀螺仪输出数据的精确度。MEMS 陀螺仪静止状态下对其 X 轴进行原始数据采集，采集静止时数据的噪声很大，需要对陀螺仪数据进行滑动均值窗大小为 N，通常实验 N 取 5 效果比较好，对陀螺仪数取 5 个数据的平均值作为当前时刻的角速率。图 2.4 就是经过滑动均值滤波后的效果。将下面两个图进行对比，表过滤波后噪声明显降低。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多准则MEMS陀螺随机误差在线建模与实时滤波[J]. 代金华,张丽杰. 传感技术学报. 2016(01)
[2]基于STM32的四旋翼飞行器的姿态最优估计研究[J]. 何川,李智,王勇军. 电子技术应用. 2015(12)
[3]基于四元数改进型互补滤波的MEMS姿态解算[J]. 陈孟元,谢义建,陈跃东. 电子测量与仪器学报. 2015(09)
[4]基于四元数EKF算法的小型无人机姿态估计[J]. 宋宇,翁新武,郭昕刚. 吉林大学学报(理学版). 2015(03)
[5]三轴数字MEMS加速度计现场标定方法[J]. 彭孝东,张铁民,李继宇,闫国琦. 振动.测试与诊断. 2014(03)
[6]基于四元数EKF的低成本MEMS姿态估计算法[J]. 贾瑞才. 传感技术学报. 2014(01)
[7]改进的粒子滤波在四旋翼姿态估计中的应用[J]. 曲仕茹,马志强. 飞行力学. 2013(05)
[8]小型无人机导航系统硬件设计[J]. 黄鑫鑫,闫建国,张宇坤. 科学技术与工程. 2012(23)
[9]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)
[10]无人机组合导航系统的自适应滤波研究[J]. 郭强,李岁劳,贾继超,张梦妮. 计算机仿真. 2012(07)
博士论文
[1]惯性稳定平台中的多传感器控制技术研究[D]. 田竞.电子科技大学 2016
[2]基于四元数非线性滤波的飞行器姿态确定算法研究[D]. 乔相伟.哈尔滨工程大学 2011
本文编号：3611213
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3611213.html
