EKF和互补滤波器在飞行姿态确定中的应用.pdf

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1、2011年第30卷第ll期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)149EKF和互补滤波器在飞行姿态确定中的应用郭晓鸿，杨忠，陈结，杨成顺，龚华军(1．南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016；2．南京航空航天大学无人机研究院。江苏南京210016)摘要：设计了一种旋翼飞行姿态参考系统，采用基于加速度计和陀螺仪的惯性测量组合(IMU)测量飞行姿态数据。采集实测数据并运用Allan方差分析法分析其噪声特性，建立传感器模型；针对旋翼飞行器分别应用经典扩展Kalman滤波(EKF)算法和互补滤波算法进行姿态解算。在详细阐述2种

2、算法的原理与实现的基础上，进行飞行器平台实验验证。研究结果表明2种算法均有效，且互补滤波器相对经典Kal—man滤波器更为简单、有效。关键词：姿态测量；扩展Kalman滤波器；互补滤波器；Allan方差中图分类号：V247．1；TP391．8文献标识码：A文章编号：1000—9787(2011)11-0149-04ApplicationofextendedKalmanfilterandcomplementaryfilterinattitudeestimationGUOXiao—hong，YANGZhong，CHENZhe。，YANGCheng—shun，GONGHua-jun(

3、1．SchoolofAutomation，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China；2．UAVResearchInstitute，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China)Abstract：Anattitudeestimationsystemfortheunmannedhelicopterispresented．Thesystemisbasedonaninertialmeasurementunit(I

4、MU)．ByusingAllanvarianceanalysismethod，theinertialsensor’Smodelsarebuiltup．TheextendedKalmanfiltering(EKF)algorithmandthecomplementaryfilteringalgorithmaredrawnintoflightattitudedeterminationforahelicopter．Themethodologiesandimplementationofthetwoalgorithmsarewellelaborated．Theexperimentalte

5、stshaveverifiedthatbothKalmanfilteringandcomplementaryfilteringcanobtainaveryeffectiveattitudeestimationsystem，andforanunmannedhelicopter，thecomplementaryfiltercanyieldbetterperformancethanEKF．Keywords：attitudeestimation；extendedKalmanfilter(EKF)；complementaryfilter；Allanvariance0引言1惯性测量组合与姿

6、态估计飞行姿态的准确获取是飞行控制的基础和前提，因此，本系统的角速度和加速度信号分别由MEMS陀螺仪飞行姿态的确定至关重要。由于旋翼飞行器旋翼转动时振和MEMS三轴加速度计获取，其测量信号通过SPI接口同动强烈，故姿态参考系统受振动的影响较大。同时旋翼飞基于ARM的飞行控制计算机进行通信。行器结构轻巧简单，必须要求其控制周期尽可能小以提高陀螺仪测量载体相对惯性坐标系的旋转角速度，加速响应速度。故该姿态参考系统应能减小振动的影响同时保度计测量沿三个机体轴的加速度值。证较高的快速性。选取北东地为导航坐标系则重力在3个机体轴的分量无人飞行器的飞行姿态通过惯性测量组合元件(IMU)如式

7、1所示来获取，主要包括三个MEMS陀螺仪和三轴加速度传感器。分析了主要传感器的动态特性，基于扩展Kalman滤波器和互补滤波器的原理，给出了其设计和实现步骤，并结合京商260无人直升机平台，对所设计的姿态参考系统进行了实验验证。收稿日期：2011_o3_04基金项目：国家自然科学基金资助项目(60674100)；2009江苏省高校优秀科技创新团队项目l50传感器与微系统第30卷俯仰角；为横滚角；g为重力加速度；，一a，一a：为沿3个机据输出；aj为相应的权值。体轴的加速度在一段时间内的平均值