CN112082548A - 一种无人机惯导与gps混合高度测量方法 - Google Patents

一种无人机惯导与gps混合高度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明是关于一种无人机惯导与GPS混合高度测量装置设计方法。其首先安装BN‑880Q GPS位置接收器，接收无人机的实时GPS高度信息，再安装ACS100高精度Mems加速度计，测量测量无人机实时加速度信息，再设计非线性滤波器得到GPS滤波高度信息，然后对实施加速度信息进行两次积分得到惯性高度。再比较惯性高度与滤波高度得到高度误差信息，并进行非线性滤波得到滤波误差信息，然后引入惯性加速度与速度补偿反馈后积分得到混合速度与混合高度，并比较混合高度与GPS高度形成误差信号进一步补偿混合高度的生成，最终得到惯导与GPS的复合测量方法。本发明的优点是测量误差随时间无积累发散，而且精度高于单独测量。

Description

一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法
技术领域
本发明涉及无人飞行器的高度高精度测量领域，具体而言，涉及一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法的设计方法。
背景技术
在无人机低空飞行尤其是低空掠海飞行过程中，高度传感器测量的信息作为高度控制系统反馈信号，因此高度测量的精度将直接影响无人机的高度控制。GPS单点定位是指使用GPS接收机直接确定某点在地球坐标系中的位置。而当接收机位于移动的载体上时，采用GPS动态定位方法，该方法现被广泛应用于飞机、车辆等移动载体上。但民用的GPS信号在精确定位信息基础上，会被叠加随机的干扰信号，使其精度在民用范围内。而采用惯性技术进行高度测量时，由加速度两次积分带来的误差会随着时间而不断的随机累积，其误差具有随时间增加而不断增加的趋势。因此如何将上述两者测量方法混合起来，形成组合高度测量方法，是目前工业上非常有实用价值的研究方向。基于上述背景技术，本发明提供了一种采用非线性滤波与速度位置误差反馈补偿生成混合高度的方法，大大提高了单一高度测量方法的测量精度，从而也使得本发明具有很高的工程应用价值。
需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的高度测量精度不高或者误差随时间积累不断增大的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法，包括以下步骤：
步骤S10，在无人机上安装BN-880QGPS位置接收器，接收无人机的实时GPS高度信息；
步骤S20，在无人机上安装ACS100高精度mems加速度计，测量无人机的实时加速度信息；
步骤S30，针对所述的无人机实时GPS高度信息，设计非线性滤波器，进行非线性滤波，得到滤波GPS高度信息；
步骤S40，针对所述的无人机实时实时加速度信息，进行积分得到无人机垂直速度信息，再进行积分得到无人机惯性高度信息；
步骤S50，针对所述的到滤波GPS高度信息与惯性高度信息进行比较，得到高度误差信息，并进行非线性滤波反馈，与实时加速度信息进行叠加后，进行积分，得到混合速度信息；
步骤S60，针对所述的GPS滤波高度信息与混合高度信息进行比较，得到混合误差信号，然后进行非线性滤波反馈得到混合误差滤波信号，与高度误差信息、高度误差滤波信息、以及混合速度信息进行叠加后，进行积分，得到最终的混合高度信号。
在本发明的一种示例实施例中，在无人机上安装BN-880QGPS位置接收器，接收无人机的实时GPS高度信息，并进行非线性滤波，得到得到滤波GPS高度信息包括：
Figure BDA0002676156050000021
其中hg(n)为BN-880QGPS位置接收器接收的无人机实时GPS高度信息，hg1(n)为滤波GPS高度信息。k1、k2以及ε1为滤波参数，其详细设计见后文案例实施。
在本发明的一种示例实施例中，在无人机上安装ACS100高精度mems加速度计，测量无人机的实时加速度信息，并进行积分得到无人机垂直速度信息，再进行积分得到无人机惯性高度信息包括：
v(n+1)＝v(n)+a(n)*ΔT；
hi(n+1)＝hi(n)+v(n)*ΔT；
其中a(n)为采用的ACS100高精度mems加速度计测量得到的无人机垂直方向的加速度信号，v(n)为无人机垂直速度信息，初始速度选取为0，即v(1)＝0，开机时无人机为静止状态。hi(n)为无人机的惯性高度信息，其初始位置选取为0，即hi(1)＝0。
在本发明的一种示例实施例中，根据所述的到滤波GPS高度信息与惯性高度信息进行比较，得到高度误差信息，并进行非线性滤波反馈，与实时加速度信息进行叠加后，进行积分，得到混合速度信息包括：
e1(n)＝hg1(n)-hi(n)；
Figure BDA0002676156050000031
v1(n+1)＝v1(n)+(a(n)+k5e1(n)+k6e2(n)+k7e3(n))*ΔT；
其中hg1(n)为所述的滤波GPS高度信息，hi(n)为惯性高度信息，e1(n)为高度误差信息，e2(n)为高度误差滤波信息，k3、k4、k5、k6、k7以及ε2为滤波参数，其详细设计见后文案例实施。v1(n)为混合速度信息，其初始速度选取为0，即v1(1)＝0，为滤波参数，其详细设计见后文案例实施。e3(n)为混合误差信号，其求解见最后一步。
在本发明的一种示例实施例中，针对所述的GPS滤波高度信息与混合高度信息进行比较，得到混合误差信号，然后进行非线性滤波反馈得到混合误差滤波信号，与高度误差信息、高度误差滤波信息、以及混合速度信息进行叠加后，进行积分，得到最终的混合高度信号包括：
e3(n)＝hg1(n)-hh(n)；
Figure BDA0002676156050000041
hh(n+1)＝hh(n)+(v1(n)+k10e1(n)+k11e2(n)+k12e3(n)+k13e4(n))*ΔT；
其中hg1(n)为所述的滤波GPS高度信息，hh(n)为最终的混合高度信息，e3(n)为混合误差信号，hh(n)的初始值选取为0。e4(n)为混合误差滤波信息，其中k8、k9、k10、k11、k12、k13以及ε3为滤波参数，其详细设计见后文案例实施。
最终求得的hh(n)即作为整个GPS高度与惯性测量高度的混合测量高度输出，其可避免惯性测量高度的时间积累发散，又能规避GPS高度的随机误差，两者互补，具有良好的测高性能。
有益效果
本发明提供的一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法，通过GPS高度与惯性加速度积分的高度两者进行组合，采用误差的非线性滤波，并对多种误差信号进行组合补偿修正，得到最终的组合高度。其优点在于能够有效避免惯性积分高度的误差随时间积累的发散特性，又能有效利用惯性测量高度的有用信息补偿滤波减弱GPS信号的随机均匀分布误差，从而使得组合高度比单元测量高度具有更高的精度与更好的动态特性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法的流程图；
图2是本发明实施例所提供方法的BN-880QGPS位置接收器实物图；
图3是本发明实施例所提供方法的ACS100高精度mems加速度计实物图；
图4是本发明实施例所提供方法的GPS高度测量信息(单位：米)；
图5是本发明实施例所提供方法的加速度信息曲线(单位：米每秒方)；
图6是本发明实施例所提供方法的滤波GPS高度信息曲线(单位：米)；
图7是本发明实施例所提供方法的惯性高度信息曲线(单位：米)；
图8是本发明实施例所提供方法的混合速度信息曲线(单位：米每秒)；
图9是本发明实施例所提供方法的混合高度信息曲线(单位：米)；
图10是本发明实施例所提供方法的真实高度信息曲线(单位：米)；
图11是本发明实施例所提供方法的混合高度与真实高度对比误差信号曲线(单位：米)；
图12是本发明实施例所提供方法的GPS高度与真实高度对比误差信号曲线(单位：米)。
具体实施方式
现在将参考附图基础上更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
本发明提供了一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法，其通过安装安装BN-880QGPS位置接收器与ACS100高精度mems加速度计，分别通过GPS测高信息与惯性积分得到的测高信息，通过设计非线性滤波，以及求解GPS高度与惯性高度的混合高度生成算法，同时将混合高度与GPS高度的偏差引入混合高度的加速度与速度生成环节进行非线性滤波与补偿校正，改善混合高度的精度，从而得到最终的能够结合两者测高方式优势的混合测高方法，具有很高的工程应用价值。
下面，将结合附图对本发明的一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法进行进一步的解释以及说明。参考图1所示，该一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法包括以下步骤：
步骤S10，在无人机上安装BN-880Q GPS位置接收器，接收无人机的实时GPS高度信息。
具体的，采用的BN-880QGPS位置接收器其工作模式为GPS、GLONASS双模定位，跟踪灵敏度为167dBm，冷启动148dBm，水平精度为2米，时间精度1us，冷启动时间26s，工作高度小于50000米，速度小于515米每秒。电压为5伏，电流为50毫安，尺寸为28mm*28mm*28mm，重量12克。在无人机上安装BN-880QGPS位置接收器并进行启动，接收到的无人机实时GPS高度信息，计作hg(n)。其中n＝1,2,3…，对应的是时间t＝n*ΔT时刻的高度，其中ΔT为数据的输出采样周期。其详细设计见后文案例实施。
步骤S20，在无人机上安装ACS100高精度mems加速度计，测量无人机的实时加速度信息。
具体的，采用的ACS100高精度mems加速度计，其物理尺寸为小封装10mmx10mmx3.5mm，其非常小，与1角硬币的对比图如图3所示。功耗小于40mW，SPI总线输出，工作温度范围为-40度至+85度。加速度量程5g至10g可选，测量分辨率可达到0.00002g。将其安装在无人机上，测量无人机垂直方向的加速度信号，计作a(n)。其中n＝1,2,3…，对应的是时间t＝n*ΔT时刻的加速度信号，其中ΔT为数据的输出采样周期。
步骤S30，针对所述的无人机实时GPS高度信息，设计非线性滤波器，进行非线性滤波，得到滤波GPS高度信息。
具体的，根据所述的无人机实时GPS高度信息hg(n)，设计如下的非线性滤波器，得到滤波GPS高度信息，计作hg1(n)，其滤波过程如下：
Figure BDA0002676156050000071
其中k1、k2以及ε1为滤波参数，其详细设计见后文案例实施。
步骤S40，针对所述的无人机实时实时加速度信息，进行积分得到无人机垂直速度信息，再进行积分得到无人机惯性高度信息。
具体的，根据所述的无人机实时实时加速度信息a(n)，进行积分，得到无人机垂直速度信息，计作v(n)，其计算方式如下：
v(n+1)＝v(n)+a(n)*ΔT；
其中v(n)的初始速度选取为0，即v(1)＝0，开机时无人机为静止状态。
然后，根据所述的无人机垂直速度信息，再进行积分，得到无人机的惯性高度信息，计作hi(n)，其计算方式如下：
hi(n+1)＝hi(n)+v(n)*ΔT；
其中hi(n)的初始位置选取为0，即hi(1)＝0，开机时无人机为静止状态。
步骤S50，针对所述的到滤波GPS高度信息与惯性高度信息进行比较，得到高度误差信息，并进行非线性滤波反馈，与实时加速度信息进行叠加后，进行积分，得到混合速度信息；
具体的，首先根据所述的滤波GPS高度信息hg1(n)与惯性高度信息hi(n)进行比较，得到高度误差信息，记作e1(n)，其计算方式如下：
e1(n)＝hg1(n)-hi(n)；
其次，针对所述的高度误差信息，进行如下的非线性滤波变换，得到高度误差滤波信息，记作e2(n)，其计算方式如下：
Figure BDA0002676156050000081
其中k3、k4以及ε2为滤波参数，其详细设计见后文案例实施。
最后，根据所述的实时加速度信息与高度误差信息以及高度误差滤波信息，进行叠加并积分，得到的混合速度信息，记作v1(n)，其计算方式如下：
v1(n+1)＝v1(n)+(a(n)+k5e1(n)+k6e2(n)+k7e3(n))*ΔT；
其中v1(n)的初始速度选取为0，即v1(1)＝0，开机时无人机为静止状态。k5、k6、k7为滤波参数，其详细设计见后文案例实施。e3(n)为混合误差信号，其求解见最后一步。
步骤S60，针对所述的GPS滤波高度信息与混合高度信息进行比较，得到混合误差信号，然后进行非线性滤波反馈得到混合误差滤波信号，与高度误差信息、高度误差滤波信息、以及混合速度信息进行叠加后，进行积分，得到最终的混合高度信号；
具体的，首先根据所述的滤波GPS高度信息hg1(n)与最终的混合高度信息hh(n)进行比较，得到混合误差信号，记作e3(n)，其计算方式如下：
e3(n)＝hg1(n)-hh(n)；
其中hh(n)的初始值选取为0，后续解算见下文积分过程。
其次，针对所述的混合误差信号，进行如下的非线性滤波变换，得到混合误差滤波信息，记作e4(n)，其计算方式如下：
Figure BDA0002676156050000091
其中k8、k9以及ε3为滤波参数，其详细设计见后文案例实施。
最后，根据所述的混合速度信息与高度误差信息以及高度误差滤波信息、混合误差信号与混合误差滤波信息，进行叠加并积分，得到的混合高度信息，记作hh(n)，其计算方式如下：
hh(n+1)＝hh(n)+(v1(n)+k10e1(n)+k11e2(n)+k12e3(n)+k13e4(n))*ΔT；
其中hh(n)的初始值选取为0，即hh(1)＝0。k10、k11、k12、k13为常值参数，其详细设计见后文案例实施。
最终求得的hh(n)即作为整个GPS高度与惯性测量高度的混合测量高度输出，其可避免惯性测量高度的发散，又能规避GPS高度的随机误差，两者互补，具有良好的测高性能。
案例实施与计算机仿真模拟结果分析
在步骤S10中，采用BN-880QGPS位置接收器测量无人机实时GPS高度信息，如图4所示。
在步骤S20中，在无人机上安装ACS100高精度mems加速度计，测量无人机的实时加速度信息如图5所示。
在步骤S30中，选取k1＝0.01、k2＝0.02以及ε1＝0.5，得到滤波GPS高度信息如图6所示。在步骤S40中，得到无人机惯性高度如图7所示。
在步骤S50中，选取k3＝0.01、k4＝0.02以及ε2＝0.5，k5＝0.01、k6＝0.001、k7＝0.001，得到混合速度信息如图8所示。
在步骤S60中，选取k8＝0.01、k9＝0.02以及ε3＝0.5，k10＝0.01、k11＝0.05、k12＝0.03、k13＝0.07，得到混合高度如图9所示。而真实高度如图10所示。最终得到的混合高度与真实高度对比的最终误差信号如图11所示，而GPS高度与真实高度对比的误差信号如图12所示。对比GPS高度信息图4可以看出，直接的GPS高度信息具有随机误差；误差大约在5米左右随机变动；而由图7的惯性高度可以看出，随着时间的推进，惯性积分高度的误差会随着时间出现随机的积累，随着时间增大而增大，因此在时间越长的情况下，惯性高度产生的误差会越来越大，通过对比图7与图10的高度信号，可以得出惯性高度误差最高能达到40米左右。由图12可以看出GPS测高的误差为正负4，而且其具有随机分布特性，而由图11可以看出，最终的混合高度的误差大部分时间在正负0.7内随机分布，可见本发明所提供的混合高度测量方法，大大地改善了单独GPS与惯性高度单独测量的精度，具有很高的工程实用价值。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这类的发明后，将容易想到本发明的其他实施例。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未指明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims (5)

1.一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10，在无人机上安装BN-880Q GPS位置接收器，接收无人机的实时GPS高度信息；
步骤S20，在无人机上安装ACS100高精度mems加速度计，测量无人机的实时加速度信息；
步骤S30，针对所述的无人机实时GPS高度信息，设计非线性滤波器，进行非线性滤波，得到滤波GPS高度信息；
步骤S40，针对所述的无人机实时实时加速度信息，进行积分得到无人机垂直速度信息，再进行积分得到无人机惯性高度信息；
步骤S50，针对所述的到滤波GPS高度信息与惯性高度信息进行比较，得到高度误差信息，并进行非线性滤波反馈，与实时加速度信息进行叠加后，进行积分，得到混合速度信息；
步骤S60，针对所述的GPS滤波高度信息与混合高度信息进行比较，得到混合误差信号，然后进行非线性滤波反馈得到混合误差滤波信号，与高度误差信息、高度误差滤波信息、以及混合速度信息进行叠加后，进行积分，得到最终的混合高度信号。
2.根据权利要求1所述的一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法，其特征在于，在无人机上安装BN-880Q GPS位置接收器，接收无人机的实时GPS高度信息，并进行非线性滤波，得到得到滤波GPS高度信息包括：
Figure FDA0002676156040000011
其中hg(n)为BN-880Q GPS位置接收器接收的无人机实时GPS高度信息，hg1(n)为滤波GPS高度信息。k1、k2以及ε1为滤波参数。
3.根据权利要求1所述的一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法，其特征在于，在无人机上安装ACS100高精度mems加速度计，测量无人机的实时加速度信息，并进行积分得到无人机垂直速度信息，再进行积分得到无人机惯性高度信息包括：
v(n+1)＝v(n)+a(n)*ΔT；
hi(n+1)＝hi(n)+v(n)*ΔT；
其中a(n)为采用的ACS100高精度mems加速度计测量得到的无人机垂直方向的加速度信号，v(n)为无人机垂直速度信息，初始速度选取为0，即v(1)＝0，开机时无人机为静止状态。hi(n)为无人机的惯性高度信息，其初始位置选取为0，即hi(1)＝0。
4.根据权利要求1所述的一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法，其特征在于，根据所述的到滤波GPS高度信息与惯性高度信息进行比较，得到高度误差信息，并进行非线性滤波反馈，与实时加速度信息进行叠加后，进行积分，得到混合速度信息包括：
e1(n)＝hg1(n)-hi(n)；
Figure FDA0002676156040000021
v1(n+1)＝v1(n)+(a(n)+k5e1(n)+k6e2(n)+k7e3(n))*ΔT；
其中hg1(n)为所述的滤波GPS高度信息，hi(n)为惯性高度信息，e1(n)为高度误差信息，e2(n)为高度误差滤波信息，k3、k4、k5、k6、k7以及ε2为滤波参数，其详细设计见后文案例实施。v1(n)为混合速度信息，其初始速度选取为0，即v1(1)＝0，为滤波参数，其详细设计见后文案例施。e3(n)为混合误差信号。
5.根据权利要求1所述的一种无人机惯导与GPS混合高度测量方法，其特征在于，针对所述的GPS滤波高度信息与混合高度信息进行比较，得到混合误差信号，然后进行非线性滤波反馈得到混合误差滤波信号，与高度误差信息、高度误差滤波信息、以及混合速度信息进行叠加后，进行积分，得到最终的混合高度信号包括：
e3(n)＝hg1(n)-hh(n)；
Figure FDA0002676156040000031
hh(n+1)＝hh(n)+(v1(n)+k10e1(n)+k11e2(n)+k12e3(n)+k13e4(n))*ΔT；
其中hg1(n)为所述的滤波GPS高度信息，hh(n)为最终的混合高度信息，e3(n)为混合误差信号，hh(n)的初始值选取为0。e4(n)为混合误差滤波信息，其中k8、k9、k10、k11、k12、k13以及ε3为滤波参数。
最终求得的hh(n)即作为整个GPS高度与惯性测量高度的混合测量高度输出，其可避免惯性测量高度的时间积累发散，又能规避GPS高度的随机误差，两者互补，具有良好的测高性能。
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