多傳感器信息融合的四旋翼姿態解算研究*

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(1.鄭州自來水投資控股有限公司，鄭州 450000；2.中原工學院)

引 言

四旋翼無人機相對于固定翼和直升機來說，體積小、重量輕、使用方便，集合了各種飛行器的優點，已經廣泛應用于各行各業中。而在四旋翼的飛行過程中，核心問題就是姿態的解算[1]。一般常用的單個傳感器檢測元件(如陀螺儀、加速度計和電子羅盤)，雖然性能穩定，價格適中，但是又有各自的缺點。如傳感器信息融合對來自加速度計、陀螺儀以及單個加速度計在四旋翼無人機機體抖動的時候容易帶來高斯白噪聲，單個陀螺儀存在溫度漂移問題，單個電子羅盤受外部磁場干擾也會造成測量誤差。本文基于互補濾波算法，采用多個電子羅盤的數據信號進行綜合，不僅降低了姿態解算的運算量，而且提高了效率和精度[2]。同時，加入模糊PID 控制方法對四旋翼進行控制，使無人機的飛行更加穩定可靠。

1 姿態角的表述方式推導過程

四旋翼無人機的姿態解算是指將機體上的慣性單元的輸出信號實時轉換為機體姿態信號,即把機體坐標系(b系，b表示Body)轉換為地面慣性坐標系(e系，e表示Earth)的角位置。四旋翼無人機的姿態角包括橫滾角(roll)、俯仰角(pitch)、偏航角(yaw)。地面慣性坐標系用于確定機體的空間位置坐標，將地球表面假設成平面，首先在地面上任選一點，作為四旋翼起飛位置。然后對三軸進行定義：其中xe軸在水平面內指向某一方向，ze軸垂直于地面向下，按右手定則確定ye軸。對于機體坐標系，其原點o取在四旋翼的重心上，其中xb軸在四旋翼對稱平面內指向四旋翼機體頭部方向，zb軸垂直xb軸向下，同樣按右手定則確定yb軸。……