振动对多旋翼飞行器姿态估计的影响分析

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1、文章编号:２０９５－１２４８(２０１７)０２－００７３－０４振动对多旋翼飞行器姿态估计的影响分析卢艳军ꎬ徐天奇(沈阳航空航天大学自动化学院ꎬ沈阳１１０１３６)摘要:高速旋转的螺旋桨将使旋翼飞行器的机体产生振动ꎬ给ＭＥＭＳ加速度计带来有害的振动噪声ꎬ使得旋翼飞行器的姿态估计受到一定的影响ꎬ造成姿态估计精度降低ꎬ严重的可使姿态估计错误ꎮ通过实验分析了机体振动对ＭＥＭＳ加速度计的影响ꎬ提出设计低通滤波器的方法降低振动噪声对加速度计的影响ꎮ实验结果表明:经过低通滤波器处理后ꎬ仍采用原有梯度下降法进行姿态数据融合ꎬ姿态数据融合精度有较好的改善

2、ꎮ关键词:加速度计ꎻ机体振动噪声ꎻ低通滤波器ꎻ姿态估计中图分类号:Ｖ２１７文献标志码:Ａｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－１２４８.２０１７.０２.０１２Ｅｆｆｅｃｔｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｎａｔｔｉｔｕｄｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉ￣ｒｏｔｏｒｃｒａｆｔＬＵＹａｎ￣ｊｕｎꎬＸＵＴｉａｎ￣ｑｉ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬＳｈｅｎｙａｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１０１３６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｈｉｇｈ￣ｓｐｅｅｄｒｏｔａｔｉｎｇｐｒｏｐｅｌｌｅｒｃｏｕ

3、ｌｄｃａｕｓｅｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒｃｒａｆｔｂｏｄｙｗｈｉｃｈｍａｙｂｒｉｎｇｈａｒｍｆｕｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｎｏｉｓｅｔｏｔｈｅａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｏｆＭＥＭＳ.Ｔｈｉｓｃｏｕｌｄｆｕｒｔｈｅｒａｆｆｅｃｔｔｈｅａｔｔｉｔｕｄｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒｃｒａｆｔｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｌｏｗａｃｃｕｒａｃｙｏｒｓｅｒｉｏｕｓｅｒｒｏｒｏｆａｔｔｉｔｕｄｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ?ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｚｉｎｇｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＭＥＭＳａｃｃｅ

4、ｌｅｒｏｍｅｔｅｒꎬａｍｅｔｈｏｄｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｌｏｗ￣ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｎｏｉｓｅｏｎｔｈｅａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆａｔｔｉｔｕｄｅｄａｔａｆｕｓｉｏｎｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙａｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅｌｏｗ￣ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｇｒａｄｉｅｎｔｄｅ￣ｓｃｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒａｔｔｉｔｕｄｅｄａｔａｆｕｓｉ

5、ｏｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒꎻｂｏｄｙｖｉｂｒａｔｉｏｎｎｏｉｓｅꎻｌｏｗ￣ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒꎻａｔｔｉｔｕｄｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ多旋翼飞行器的姿态信息通常采用微机电系测量信息的影响是非常必要的ꎮ针对惯性测量器统(ＭＥＭＳꎬＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ)惯件的数据预处理方法ꎬ文献[４]利用小波阈值法[１－３]性测量器件进行测量ꎬ其中加速度计静态特去除传感器高频噪声ꎬ并利用机动性对小波分解性较好ꎬ但是非常易受机体振动的影响ꎬ使测量获层数进行判断以解决分解层数难以确定的问题ꎬ得的信

6、息存在较大的噪声ꎮ为了获取准确的加速但是其作用与所用的融合算法有所重复ꎬ增加了度计信息ꎬ对飞行器的姿态进行修正ꎬ以便提高控计算量ꎮ文献[５]提出了采用经验模态分析法来制精度和稳定性ꎬ深入研究机体振动对加速度计抑制传感器噪声ꎬ但是对于ＭＥＭＳ器件来说ꎬ噪收稿日期:２０１６－１２－２６基金项目:辽宁省自然科学基金(项目编号:２０１５０２００９３)作者简介:卢艳军(１９６８－)ꎬ女ꎬ辽宁义县人ꎬ副教授ꎬ主要研究方向:飞行器自主控制技术和自动测试技术ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｓｙｌｙｊ２００４＠１２６?ｃｏｍꎮ７４沈阳航空航天大学学报第３４卷声的不确

7、定性会导致其分解出较多虚假模式ꎬ很依靠操作系统的消息队列实现ꎮ程序流程图如图难将有用的信号与真实的振动模式分离ꎮ本文以２所示ꎮ四旋翼飞行器为例ꎬ设计了飞行测试实验平台ꎬ对飞行状态下ＭＥＭＳ加速度计的测量信息进行采集ꎬ分析了螺旋桨旋转造成的机体振动对加速度计测量信息的影响ꎬ并提出基于低通滤波与四元数梯度下降法相结合的信息处理方法ꎬ为旋翼飞行器姿态的精确控制奠定基础ꎮ图２程序流程框图１飞行测试平台设计２滤波及融合算法飞行测试平台的核心为飞行控制系统ꎬ飞行２?１数据采集分析控制器通过处理所采集的惯性测量传感器以及磁ＳＴＭ３２Ｆ４０７单片机

8、以１ｋＨｚ的频率对加速力计数据来进行姿态估计ꎮ四旋翼飞行器的飞控度计进行采集存储ꎮ通过对采集到的加速度数据系统以ＳＴＭ３２Ｆ４０７单片机为核心ꎬ由传感器单进行频谱分析可知:在无振动源时其频率主要分[６－８]元、通讯单元、存储单元、执行