毕业答辩无人机姿态测量课件.ppt

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1、小型四旋翼无人机姿态测量系统研究答辩人：专业：机械电子工程指导老师：2015年5月28日论文目录研究背景、意义及内容1234姿态测量传感器及其标定实验设计及成果总结及展望56基于无人机姿态测量的卡尔曼滤波算法仿真，分析比较第3页媒体航拍抢险救灾农业灌溉军事侦察石油勘探作战攻击1研究背景、意义及内容（1）无人机应用非常广泛，前景极为乐观1942年1950年1971年1994年1982年2000年（2）姿态测量系统的发展：1研究背景、意义及内容20世纪20年代德国V2飞弹上使用机械式陀螺仪测量飞弹的姿态人造地平仪、方向陀螺仪、及原始加速度

2、计被应用飞机捷联式惯性导航理论发展成熟，美国成功研制出世界上第一套纯惯性导航系统XN-1Bortz提出转动微分方程，从而减小了不可交换误差美国历时20年于1994年完成了全球GPS网络的建设俄罗斯于1982年启动了名为格洛纳斯又称GLONASS的全球卫星导航系统2000年我国完成北斗实验系统，目前已经覆盖亚太地区，计划2020年覆盖全球1）无人机姿态解算算法2)传感器标定3）卡尔曼滤波在无人机姿态测量中的应用1研究背景、意义及内容（2）研究内容2姿态测量传感器及其标定（1）无人机姿态测量原理XYZOX’Y’Z’X’’Z’’Y’’’Y’

3、’Z’’’X’’’ψψθθββ2姿态测量传感器及其标定姿态矩阵如下：四元数表达的姿态矩阵如下：（1）无人机姿态测量原理2姿态测量传感器及其标定联立上式可得四元数表示的欧拉角（1）无人机姿态测量原理2姿态测量传感器及其标定姿态误差组成确定性误差初始对准误差传感器误差算法误差特有误差载体运动工作环境载体圆锥运动（2）姿态误差组成2姿态测量传感器及其标定①陀螺仪的标定：本文主要标定陀螺的零偏（3）传感器标定②加速度计的标定：倒置测试在重力下旋转180度，加速度计变化2G（-1G到+1G）③磁强计的标定：对磁强计进行拟圆修正在x和y轴转动36

4、0度的过程中记录各轴向最大值和最小值2姿态测量传感器及其标定（3）传感器标定3算法仿真，分析比较（1）欧拉角法（2）方向余弦法（3）四元数法（4）等效旋转矢量法简单明了、易于理解方程计算量大、存在奇点，不能全姿态工作可实现全姿态测量需要求解9个微分方程、实时性较差计算量小、精度高、易于计算机中实现无法避免不可交换性误差可以克服不可交换误差、精度高比四元数计算量大优点缺点（1）算法比较3算法仿真，分析比较（2）三种算法静止放置仿真①3种算法在0°静止放置时的测量值①3种算法在30°静止放置时的测量值①3种算法在45°静止放置时的测量值3

5、算法仿真，分析比较（2）三种算法静止放置仿真四阶龙格库塔法三阶毕卡算法等效旋转矢量算法*10-630009000150003300027000210000度时方差对比图29802432012417153761242496882044030度时方差对比图45度时方差对比图4基于无人机姿态测量的卡尔曼滤波（1）基于误差四元数的卡尔曼滤波陀螺仪测量系统无人机姿态测量系统辅助测量系统理论误差四元数姿态四元数姿态四元数实际误差四元数卡尔曼滤波校正最优姿态4基于无人机姿态测量的卡尔曼滤波①磁强计计算得到的误差（2）误差计算4基于无人机姿态测量的卡

6、尔曼滤波②加速度计计算得到的误差（2）误差计算4基于无人机姿态测量的卡尔曼滤波③加速度计信任度计算及总误差（2）误差计算4基于无人机姿态测量的卡尔曼滤波参数名参数值采样时间0.01sQRX0P4基于无人机姿态测量的卡尔曼滤波（3）基于UD分解的扩展卡尔曼率①状态方程：②误差协方差矩阵的更新和它的UD分解：③求卡尔曼增益：⑤计算最优估计：⑥更新误差协方差矩阵P:④观测方程：4基于无人机姿态测量的卡尔曼滤波（3）基于UD分解的扩展卡尔曼率四元数微分方程：求解微分方程采用毕卡逼近算法：毕卡三阶算法的表达式为：4基于无人机姿态测量的卡尔曼滤波

7、（3）基于UD分解的扩展卡尔曼率观测过程：采样时间0.01sQRX0P0H4基于无人机姿态测量的卡尔曼滤波（3）基于UD分解的扩展卡尔曼率参数确定：4(4)航向象限的判断：基于无人机姿态测量的卡尔曼滤波5实验设计及成果(1)试验台图1姿态测量实验台图2姿态测量系统图3无人机实体图4无人机飞行中5实验设计及成果匀速运动实验结果：(2)实验对比图加速运动实验结果：5试验台:实验效果:(3)实验台实验设计及成果5飞行效果：实验设计及成果5总结与展望总结①通过实验可知低成本小型四旋翼无人机的姿态测量系统，必须采用组合的方式才能测量出较为准确的

8、姿态。②传感器标定。③本文设计采用由陀螺仪、加速度计和磁强计组成的姿态测量系统，采用卡尔曼滤波能够实现姿态的测量。展望：①通过实验调整卡尔曼滤波参数可以有效提高滤波效果。本文实验参数有待于进一步调整。②研究完善导航系统是