2017年第36卷第5期
传感器与微系统（TransducerandMicrosystemTechnologies）
157
DOI:10.13873/J.10009787(2017)05015703
自适应显式互补滤波在六旋翼飞行器中的应用
刘洲，单修洋，谭芳
（中南大学机电工程学院，湖南长沙410083）
摘要：针对六旋翼飞行器的惯性传感器在测量过程中存在漂移的间题，提出了基于自适应显式互补滤波的姿态解算算法，并对该算法的原理和稳定性进行分析；搭建了六旋翼飞行器的实验测试装置，并进行机体的动、静态测试实验。在实验中，对自适应显式互补滤波算法、显式互补滤波算法以及陀螺仪传感器测量方法进行比较。实验结果表明：自适应显式互补滤波算法能够实现惯性传感器的解算姿态角误差收敛，且动态误差最小。
关键调：自适应显式互补滤波；六旋翼飞行器；姿态解算；惯性传感器；陀螺仪
文章编号：1000-9787(2017)05-0157-04
中图分类号：V249
文献标识码：A
Applicationof adaptiveexplicitcomplementary
filtering in six-rotor aircraft
LIU Zhou, SHAN Xiu-yang, TAN Fang
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University,Changsha 410083, China) Abstract: To solve the drift problem of inertial sensor of six-rotor aircraft during the measurement process, & attitude estimation algorithm based on adaptive explicit complementary filtering( AECF) is proposed. The principle and stability of the proposed algorithm are analyzed. A six-rotor aircraft experimental test device is set up to carry dxa oae ag reaaon adx aepae uaadra oeu p ges aaoanessdoosenaa experimental results show that the adaptive explicit complementary filtering algorithm can make the solution attitude error of sensor gradually converge and its dynamic error is the smallest.
Key words: adaptive explicit complementary filtering; six-rotor aircraft; attitude estimation; inertia sensor; gyro-scope
0引言
六旋翼飞行器惯性测量单元IMU使用的是微机电系统（micro-electro-mechanicalsystem，MEMS）类型传感器。该类型传感器中陀螺仪能够测量机体旋转角速度，且动态跟踪性能好。但由于测量角度是通过角速度积分得到，且陀螺仪本身存在漂移，随时间的积累，角度值存在很大误差。因此，需采用信息融合策略将多种传感器的数据进行处理，以提高态解算的精度。国内外学者提出了一系列的算法如卡尔曼滤波“-3]、粒子滤波(4,5]和互补滤波[6,7]。经典互补滤波在频域角度对多个传感器数据进行融合，消除噪声干扰。该算法计算量小，相比粒子滤波不需要计算系统状态变量的概率密度(4,5]；相比卡尔曼滤波不需要计算噪声序列的方差矩阵(")。Mahony提出了一种显式的非线性互
补滤波（explicit complementaryfiltering，ECF）并应用于垂直起落飞行器中[",")；在ECF的基础上，许多学者对ECF中的增益进行在线调整[-12]。本文针对陀螺仪存在漂移及六旋翼飞行器机体姿态变化剧烈（如杂技动作）时，加速度计修正滞后的间题，提出了自适应显式互补滤波算法（AECF）。该算法相比ECF可根据机体角速度实时动态调节补偿系数，从而加快速度计对陀螺仪的修正。实验结果表明：AECF融合算法能更好减少系统动态误差，满足六旋翼飞行器的姿态解算要求。
1姿态解算原理 1.1坐标系定义
六旋翼飞行器的姿态描述需要定义导航坐标系（n系）和机体坐标系（6系）。如图1所示，n系采用东北天的原
收稿日期：2017-07-17
*基金项目：国家"973"计划基金资助项目(2011CB013104)；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目