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无人机姿态测算及其误差补偿研究

张秋阳  
【摘要】:航向角与姿态角作为无人机的重要飞行控制参数,对无人机的功能开发及作业性能起着至关重要的作用。随着微机电系统制造技术的发展,微惯性传感器及其组合测量单元在无人机的导航与控制系统中的应用越来越广泛。但是采用微机械陀螺测量姿态存在因随机漂移带来的累积误差,以及采用加速度计测量姿态受运动加速度的影响,都不能很好地获得准确稳定的姿态测量值。 针对无人机姿态测量系统存在的上述问题,本文展开了对采用陀螺仪、加速度计、磁强计和GPS进行姿态测量的解算算法及误差补偿算法的研究。论文首先对陀螺仪随机漂移噪声进行数学建模,得到了随机漂移的1阶AR模型与白噪声统计特性。然后对基于陀螺仪的姿态更新算法计算精度与数值实现进行深入理论研究,选择了基于四阶龙格库塔法的四元数姿态解算算法。最后提出了采用组合测量的思想,运用加速度计和磁强计测量的姿态值来补偿陀螺随机漂移误差,研究了基于姿态四元数误差的扩展卡尔曼滤波算法及其具体实现,并将模糊推理规则与GPS测出的运动加速度引入到实际卡尔曼滤波器中,以提高系统的自适应性。仿真结果和静动态实验表明基于模糊卡尔曼滤波的组合测量算法,能很好地解决无人机长续航时间下采用陀螺仪积分姿态结果漂移及变加速运动状态下加速度计测量姿态误差大的问题,从而达到高精度、低成本、小型化与高动态响应的目的。


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