CN111307179A - 一种高动态无人机的加速度计干扰加速度自补偿方法 - Google Patents

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彭泽波
丛晓丹
高延滨
荣寒潇
冯甜甜
刘鸿宇
张健秋
孙鹏飞
王星杰
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Abstract

本发明公开了一种高动态无人机的加速度计干扰加速度自补偿方法，涉及航空飞行器控制技术领域；它的方法为利用低通滤波后的加速度计三轴输出模值和当地重力加速度的差值与阈值进行比较，判断是否存在加速度机动，若不存在加速度机动，则进一步根据导航系下的水平计算加速度与另一阈值比较，综合判断加速度机动存在情况；在判断出存在大加速度机动情况下，将加速度计测量值根据机动加速度由无人机纵向或横向机动产生分别进行补偿；本发明成本低，可以不依赖GPS传感器等任何辅助传感器，仅利用加速度计测量信息进行自补偿，尤其适用于低成本微惯性垂直陀螺仪；有利于提升后续多传感器融合技术的姿态测量精度。

Description

一种高动态无人机的加速度计干扰加速度自补偿方法
技术领域
本发明属于航空飞行器控制技术领域，具体涉及一种高动态无人机的加速度计干扰加速度自补偿方法。
背景技术
姿态测量系统是指利用惯性传感器(陀螺仪、加速度计等)、处理器来测量运载体姿态角的系统。无人机在滑行和飞行过程中的大加速度机动时，无人机姿态测量系统中的加速度计测得的比力加速度中包含干扰加速度。对于姿态测量系统姿态解算来说，准确的加速度计测量信息是非常有必要的。如果采用的加速度信息包含了干扰加速度，则会影响其姿态解算的准确性，甚至造成飞行事故。
针对无人机干扰加速度的测量，目前通常是利用GPS接收机的数据来计算干扰加速度，然后进行干扰加速度补偿反馈给姿态测量系统，但成本高、体积大、功耗高且维护复杂，不能满足现代无人机姿态测量系统在低成本、小型化、低功耗、免维护等方面的要求。
发明内容
为解决现有利用GPS接收机的数据来计算干扰加速度，然后进行干扰加速度补偿反馈给姿态测量系统，但成本高、体积大、功耗高且维护复杂，不能满足现代无人机姿态测量系统在低成本、小型化、低功耗、免维护等方面的要求的问题；本发明的目的在于提供一种高动态无人机的加速度计干扰加速度自补偿方法。
本发明的一种高动态无人机的加速度计干扰加速度自补偿方法，它的方法如下：
步骤一：为降低加速度计测量噪声的影响，对加速度计进行一阶低通滤波；
步骤二：以设定的采样周期，进行四元数更新，并将更新后的四元数转换成方向余弦矩阵
Figure BDA0002416005470000021
通过方向余弦矩阵
Figure BDA0002416005470000022
将载体坐标系下的加速度计输出值转换到导航坐标系下，得到fE、fN；
步骤三：比较三轴加速度计输出模值
Figure BDA0002416005470000023
与当地重力加速度g，若满足
Figure BDA0002416005470000024
(β1为预设加速度阈值)，则存在加速度机动；
步骤四：在满足
Figure BDA0002416005470000025
的基础上，进一步对导航坐标系下的水平计算加速度的模值
Figure BDA0002416005470000026
作如下判断：
当
Figure BDA0002416005470000027
(β2为另一预设阈值)时，无加速度机动，不需要进行干扰加速度补偿，这时可利用加速度
Figure BDA0002416005470000028
进行姿态解算；
当
Figure BDA0002416005470000029
时，可能有以下两种情况：一是姿态阵中的姿态角较大，二是存在较大的水平加速度机动；
步骤五：若
Figure BDA00024160054700000210
只在短时间存在，则存在短时的大加速度机动；若长时间存在，需结合陀螺仪输出检查载体是否在进行盘旋或拐弯运动，若不是盘旋或拐弯运动，则需利用水平加速度进行姿态修正；
步骤六：在判断出存在大加速度机动情况下，通过以下公式将加速度计测量值根据机动加速度由无人机横向或纵向机动产生分别进行补偿：
Figure BDA00024160054700000211
其中，∝1和∝2分别为无人机在横轴和纵轴进行机动加速度补偿的补偿常数，该常数大小由所采用的惯性传感器精度和无人机机动状况共同决定。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
一、成本低，可以不依赖GPS传感器等任何辅助传感器，仅利用加速度计测量信息进行自补偿，尤其适用于低成本微惯性垂直陀螺仪；
二、有利于提升后续多传感器融合技术的姿态测量精度。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如图1所示，本具体实施方式采用以下技术方案：它的方法如下：
步骤一：为降低加速度计测量噪声的影响，对加速度计进行一阶低通滤波；
步骤二：以设定的采样周期(本实施例采样周期为10ms)，进行四元数更新，通过下面公式，将更新后的四元数转换成方向余弦矩阵
Figure BDA0002416005470000031
Figure BDA0002416005470000041
式中，q0、q1、q2、q3分别是更新后的四元数q中的四个元素。
通过方向余弦矩阵
Figure BDA0002416005470000042
将载体坐标系下的加速度计输出值转换到导航坐标系下，得到fE、fN，如下所示。
Figure BDA0002416005470000043
式中，fE、fN分别为加速度计导航系下的东向和北向加速度，fx、fy、fz是载体系下的三轴比力加速度。
本实施例中的载体坐标系与载体固连，其原点定义为运载体的重心，X轴沿载体横轴向右，Y轴沿载体纵轴向前，Z轴沿载体立轴向上。导航坐标系取当地地理坐标系，原点定义为载体的重心，X轴指向地理东向，Y轴指向地理北向，Z轴垂直于当地旋转椭球面指向天向。
步骤三：比较三轴加速度计输出模值
Figure BDA0002416005470000044
与当地重力加速度g，若满足
Figure BDA0002416005470000045
(β1为预设加速度阈值，根据惯性传感器精度和无人机机动状况共同决定)，则存在加速度机动。
步骤四：在满足
Figure BDA0002416005470000046
的基础上，进一步对导航坐标系下的水平计算加速度的模值
Figure BDA0002416005470000047
作如下判断：
当
Figure BDA0002416005470000048
(β2为另一预设阈值，通常和β1不等)时，无加速度机动，不需要进行干扰加速度补偿，这时可利用加速度
Figure BDA0002416005470000049
进行姿态解算。
当
Figure BDA0002416005470000051
时，可能有以下两种情况：一是姿态阵中的姿态角较大，二是存在较大的水平加速度机动。
步骤五：若
Figure BDA0002416005470000052
只在短时间存在，则存在短时的大加速度机动；若长时间存在，需结合陀螺仪输出检查载体是否在进行盘旋或拐弯运动，若不是盘旋或拐弯运动，则需利用水平加速度进行姿态修正。
步骤六：在判断出存在大加速度机动情况下，通过以下公式将加速度计测量值根据机动加速度由无人机横向或纵向机动产生分别进行补偿：
Figure BDA0002416005470000053
其中，∝1和∝2分别为无人机在横轴和纵轴进行机动加速度补偿的补偿常数，该常数大小由所采用的惯性传感器精度和无人机机动状况共同决定。然后可用经过补偿后的加速度
Figure BDA0002416005470000054
进行姿态解算。
本实施例的方法是利用低通滤波后的加速度计三轴输出模值和当地重力加速度的差值与阈值进行比较，判断是否存在加速度机动，若不存在加速度机动，则进一步根据导航系下的水平计算加速度与另一阈值比较，综合判断加速度机动存在情况；在判断出存在大加速度机动情况下，将加速度计测量值根据机动加速度由无人机纵向或横向机动产生分别进行补偿。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种高动态无人机的加速度计干扰加速度自补偿方法，其特征在于：它的方法如下：
步骤一：为降低加速度计测量噪声的影响，对加速度计进行一阶低通滤波；
步骤二：以设定的采样周期，进行四元数更新，并将更新后的四元数转换成方向余弦矩阵
Figure FDA0002416005460000011
通过方向余弦矩阵
Figure FDA0002416005460000012
将载体坐标系下的加速度计输出值转换到导航坐标系下，得到fE、fN；
步骤三：比较三轴加速度计输出模值
Figure FDA0002416005460000013
与当地重力加速度g，若满足
Figure FDA0002416005460000014
β1为预设加速度阈值，则存在加速度机动；
步骤四：在满足
Figure FDA0002416005460000015
的基础上，进一步对导航坐标系下的水平计算加速度的模值
Figure FDA0002416005460000016
作如下判断：
当
Figure FDA0002416005460000017
时，其β2为另一预设阈值，无加速度机动，不需要进行干扰加速度补偿，这时可利用加速度
Figure FDA0002416005460000018
进行姿态解算；
当
Figure FDA0002416005460000019
时，可能有以下两种情况：一是姿态阵中的姿态角较大，二是存在较大的水平加速度机动；
步骤五：若
Figure FDA00024160054600000110
只在短时间存在，则存在短时的大加速度机动；若长时间存在，需结合陀螺仪输出检查载体是否在进行盘旋或拐弯运动，若不是盘旋或拐弯运动，则需利用水平加速度进行姿态修正；
步骤六：在判断出存在大加速度机动情况下，通过以下公式将加速度计测量值根据机动加速度由无人机横向或纵向机动产生分别进行补偿：
Figure FDA00024160054600000111
其中，∝1和∝2分别为无人机在横轴和纵轴进行机动加速度补偿的补偿常数，该常数大小由所采用的惯性传感器精度和无人机机动状况共同决定。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113359793A (zh) * 2021-06-01 2021-09-07 北京电子工程总体研究所 一种低速飞行器提高空速控制品质的补偿方法与装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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