基于多传感器的多旋翼无人机导航解算方法研究
[Abstract]:Small multi-rotor UAV has attracted much attention in recent years because of its portable, flexible and functional characteristics. The attitude control system of UAV needs accurate attitude information as feedback to control. At the same time, it also needs accurate position and velocity information to realize track tracking, fixed point hovering and other functions. However, the space of UAV is limited, the accuracy of navigation sensor is low and the measurement noise is large. It is impossible to get accurate navigation information by a single sensor alone. The focus of this paper is to design a navigation algorithm to fuse the measurement information of multiple sensors to suppress the noise of a single sensor, so as to obtain more accurate information of attitude, position and velocity. Therefore, the study of navigation information calculation for small multi-rotor UAV in this paper has important research value and application prospect. This paper first introduces the related principles of navigation and the characteristics of common navigation sensors on board, including the common navigation coordinate system, the expression method of attitude angle, the measurement principle and noise characteristics of gyroscopes and accelerometers. The principle of attitude measurement for magnetometers and accelerometers. Then, aiming at the problem that the high frequency vibration caused by the motor rotation of UAV during flight will make the measurement value of gyroscope and accelerometer deviate greatly, the digital low-pass filter is studied and designed. In order to filter out the high frequency noise caused by the vibration of the body in the output signal of the sensor. By analyzing the influence of high frequency vibration on the output signals of accelerometers and gyroscopes, the frequency characteristics of noise are obtained in this paper. Based on this, the Fir IIR digital low-pass filters are designed by using hamming window function method and yulewalk function method, respectively. Considering the effect of filtering and the real time of filtering, a digital low-pass filter which can effectively suppress the amplitude of high frequency noise is selected. Then, aiming at the problem of how to obtain the attitude information of UAV accurately, a quaternion second-order complementary filtering attitude algorithm is designed and the effect of the algorithm is verified. According to the principle of complementary frequency characteristics of gyroscopes, accelerometers and magnetometers, the algorithm fuses the output data of the three sensors, takes gyroscope as the main measuring element, and modifies it by using accelerometer and magnetometer. Thus the accurate attitude solution is obtained. At the same time, the algorithm program is compiled in Matlab, and the simulation system is built. The algorithm is verified in Matlab using the simulation data and the experimental flight data. Finally, aiming at the problem of how to accurately obtain the position and velocity information of UAV, the location and velocity information algorithm based on extended Kalman filter is designed and validated. The algorithm uses accelerometers, barometers and GPS to measure the position and velocity of the airframe during flight, and uses extended Kalman filter algorithm to fuse the three information. In this algorithm, based on the continuous discrete time system, the offset of accelerometer is introduced as the state vector. By using the fourth order Runge-Kutta method to avoid the calculation of the Jacobian matrix, the computational speed of the solution is improved. Finally, the algorithm is verified by simulation and experimental data.
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V249.3;TP212
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,本文编号:2161366
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