[發明專利]基于UKF的無人機氣壓計異常數據處理的高度控制方法

有效

• 申請號: 201710743039.6
• 申請日: 2017-08-25
• 公開（公告）號: CN107577238B
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 康騰;黃濤;劉國良;費鵬;曹鵬蕊
• 申請（專利權）人: 深圳禾苗通信科技有限公司
• 主分類號: G05D1/04
• 分類號: G05D1/04
• 代理公司: 深圳市卓科知識產權代理有限公司 44534
• 代理人: 邵妍;張金玲

本發明涉及無人機領域，具體涉及一種基于UKF的無人機氣壓計異常數據處理的高度控制方法，利用加速度計的Z方向的加速度信息以及加速度計和氣壓計第一次UKF濾波出來的速度后對其差分得到的加速度信息做差,利用差值來量化氣流擾動對氣壓計的影響,具體包括帶加速度計和氣壓計的飛行器，氣壓計通過降噪處理獲得高度信息，后經第一次UKF濾波，第一次UKF濾波后更新氣壓計數據，更新后進行第二次UKF濾波。本發明基于UKF的濾波算法，對氣壓計的高度異常數據進行判斷并對野值進行剔除，解決了飛行器在地面效應下難以著陸和飛行中的急剎掉高問題，提高了飛機的高度飛行控制效果，大大提升用戶的飛行體驗。

技術領域

本發明涉及無人機領域，具體涉及一種基于UKF的無人機氣壓計異常數據處理的高度控制方法。

背景技術

飛行器想要穩定飛行，需要15個狀態量：三維角度，三維角度對應的三維速度、三維加速度、三維角速度，三維位置。而這些狀態量的獲取大都是通過多傳感器數據濾波得到。常用的傳感器的測量如下：

而在實際中，光流/GPS/雙目視覺等方法都對環境有特定的要求，如光流在地面紋理相似或草地上會失效；GPS在室內會失效；雙目視覺在光照條件差時會失效。而慣性測量單元IMU和氣壓計基本在絕大部分場景都可以使用，但氣壓計存在當無人飛行器在地面效應或急速剎車時高度數據異常的情況，導致飛機難以降落和急剎掉高的現象。

發明內容

本發明針對在只有IMU模塊(加速度計)和氣壓計有效的情況下，飛行器在起飛著陸時的地面效應問題和飛行過程中的急剎掉高現象，對氣壓計異常數據進行相應處理。本文基于UKF的濾波算法，對氣壓計的高度異常數據進行判斷并對野值進行剔除，解決了飛行器在地面效應下難以著陸和飛行中的急剎掉高問題，提高了飛機的高度飛行控制效果，大大提升用戶的飛行體驗。

本發明是通過以下技術方案來實現的：一種基于UKF的無人機氣壓計異常數據處理的高度控制方法，利用加速度計的Z方向的加速度信息以及加速度計和氣壓計第一次UKF濾波出來的速度后對其差分得到的加速度信息做差,利用差值來量化氣流擾動對氣壓計的影響,具體包括帶加速度計和氣壓計的飛行器，加速度計通過降噪處理獲得加速度信息，氣壓計通過降噪處理獲得高度信息，后經第一次UKF濾波，第一次UKF濾波后更新氣壓計數據，更新后進行第二次UKF濾波，第二次UKF濾波后將第二次濾波位置信息以及第二次濾波速度信息傳遞給飛控位置控制模塊。

具體步驟如下：

步驟一、構建無人機高度方向的系統方程和量測方程：

在只考慮氣壓計(Barometer)和加速度計(Accelerometer)的情況下，構造無人機高度方向的系統方程和量測方程為：

系統方程：

量測方程：

式中，h_k、ve_k、acc_bias_k分別為k時刻Z方向的位置、速度和加速度偏移量；Ts為時間步長；為加速度計經旋轉矩陣后得到的NED坐標系下Z方向的加速度；Z_k為k時刻氣壓計的高度數據，在實際使用中由于氣壓計數據噪聲太大，會首先對其進行一階低通濾波處理；W_k-1、V_k分別為為系統方程和量測方程的協方差矩陣，在實際使用過程中會通過調節協方差矩陣的大小來使得濾波出來的結果跟隨氣壓計的特性；

步驟二、第一次UKF濾波：

對于離散時間非線性系統：