[發明專利]一種基于低成本多傳感器組合導航的優化方法

有效

• 申請號: 201810728806.0
• 申請日: 2018-07-05
• 公開（公告）號: CN108759845B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發明（設計）人: 裴海龍;陳宏潤
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李斌

本發明公開了一種基于低成本多傳感器組合導航的優化方法，包括如下步驟：設計Butterworth低通濾波器對IMU的三軸角速度和三軸加速度進行濾波處理，同時根據各個傳感器相對于IMU的安裝位置偏差進行補償。接著建立7階四元數、角速度偏置的狀態方程，利用閉環式擴展卡爾曼濾波器得出四元數和角速度偏置。根據不同傳感器的時延特性建立數據緩沖區，以IMU采集信息的時間為基準進行時間同步，建立9階位置、速度、加速度偏置為狀態量的閉環式擴展卡爾曼濾波器。利用互補濾波器將9階擴展卡爾曼濾波器的輸出與捷聯式慣導方程預測的結果進行時間同步融合補償，獲得當前時間更精確的導航信息。

技術領域

本發明涉及飛行器組合導航技術領域，具體涉及一種基于低成本多傳感器組合導航的優化方法。

背景技術

隨著微電子技術、嵌入式技術的進步，無人駕駛飛行器技術(簡稱飛行器)得到了飛速的發展，而導航定位是飛行器技術中非常重要的一部分。傳統的捷聯式慣性導航方法需要依靠高精度、昂貴的IMU作為基礎從而不適合在民用級飛行器應用。消費級IMU成本相對于較低，但是精度相對較低，且噪聲大，受外部干擾影響較大，傳統的捷聯式慣性導航方法很容易失效。因此低成本傳感器組合導航應運而生，它將消費級IMU同其他低成本傳感器(如GPS，磁強計)進行數據融合，通過引入新息消除IMU積分產生的誤差，提供更可靠，精度相對較高的導航定位。

然而由于嵌入式芯片計算能力提高，飛行控制系統為了達到更好的控制性能，讓飛行器具有更好地機動飛行能力，往往不斷地提高控制頻率(100Hz-400Hz)。低成本傳感器存在不同程度的時延特性，不考慮時間同步數據融合的話，將會在反饋回路中添加一個不同程度滯后環節。滯后環節的引入將導致控制性能下降，甚至可能引起被控系統的不穩定。另外在實際應用過程中傳感器安裝位置無法與機體質心重合，也會產生不同程度的效應從而降低測量精度，導致控制效果惡化。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術中的上述缺陷，提供一種基于低成本多傳感器組合導航的優化方法，用于將機載飛行控制系統采集的GPS的位置速度、磁力計的磁場強度，氣壓計高度、激光雷達的高度以及IMU的三軸角速度和三軸加速度進行數據融合，同時考慮各個傳感器時延特性和安裝位置進行補償。

本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到：

一種基于低成本多傳感器組合導航的優化方法，所述的優化方法包括下列步驟：

S1、根據機體振動水平設計相應指標的Butterworth低通濾波器對IMU的三軸角速度和三軸加速度進行濾波處理，降低高頻振動噪聲干擾，同時由于各個傳感器在機體現對于IMU的安裝位置不一，需對其進行相應補償。

S2、建立7階四元數[q₀ q₁ q₂ q₃]^T、角速度偏置w_bias＝[b_p b_q b_r]^T的狀態方程(如下所示)，以濾波后三軸加速度acc_b＝[a_x a_y a_z]^T和磁力計解算出的航向角ψ作為觀測量，利用閉環式擴展卡爾曼濾波器得出四元數和角速度偏置，將得到四元數與IMU采集的加速度acc_b存入數據緩存區，為后續進行數據時間同步做準備；

其中g為重力加速度。

S3、根據不同傳感器的時延特性建立數據緩沖區，以IMU采集到加速度acc_b的時間為基準進行時間同步，建立9階位置P＝[λ Φ h]^T、速度V＝[V_N V_E V_D]^T、加速度偏置為狀態量的閉環式擴展卡爾曼濾波器，如下所示：