基于回路反馈法修正的四旋翼位置估计算法研究

罗栋 何国民 刘俊景

摘 要：多旋翼无人机具有成本低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等的优势，在航空拍照、地质测量、高压输电线路巡视、油田管路检查、高速公路管理、森林防火巡查等民用领域具有广阔的应用前景。无论应用无人机进行哪项工作，空中悬停这一基本的飞行模式总是不可或缺的。在如今无人机正被逐渐应用的阶段，对其进行精确的空间定位悬停方法的研究尤为重要。本文针对在室外空旷环境下，利用加速度计、气压计、GPS模块的与电子罗盘等传感器对高度与位置进行测量，研究设计了一种多元信息融合的回路反馈法，用于无人机空间位置估计。

关键词：四旋翼无人机;定位悬停;加速度计;气压计;GPS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.146

无人机（Unmanned Aerial Vehicle）自主飞行技术多年来一直是航空领域研究的热点，并且在实际应用中存在大量的需求。在众多领域应用中，对无人机的精准度、可靠性等方面要求较高。多旋翼无人机是一个欠驱系统，需要姿态和位置的闭环控制才能实现自主悬停和机动飞行。

在室内，无人机实现自主悬停定位依靠超声波、激光、光流等传感器获取高度和位置信息。但在室外，这些传感器的测量范围比较小，传感器作用不能有效发挥。考虑到四旋翼无人机的控制特点，为了实现无人机准确的位置控制需要实时地获得无人机当前的运动状态，包括空间运动速度信息、空间位置信息。运动状态信息的获取依赖于3类传感器：MEMS加速度传感器，气压传感器以及GPS。然而这三类传感器信号都存在固有的缺陷，单一的传感器信号无法直接应用于无人机的位置控制。以合适的算法融合这三类传感器信号，达到互相补偿各自信号缺陷的目的。

1 回路反馈法

对于四旋翼的悬停定位的实现，我们首先需要做的就是获取四旋翼飞行器在导航系（X、Y、Z）下的位置、速度、加速度等数据信息，以此作为闭环控制系统的反馈，使得四旋翼系统稳定、可靠的实现悬停定位。下面对比三种方式在Z轴方向上获取高度、速度、加速度信息数据。

针对气压传感器、GPS最大采样频率小与经过数据滤波造成时延导致数据更新慢、原始数据输出噪声大与纯惯导积分使得系统发散等一系列问题。将采用惯性器件与气压传感器、GPS等位置观测器件进行互补融合来对位置、速度、加速度的精准估算。

该滤波算法迭代简单，适用于工程实践。该算法的核心思想为实时地获得加速度传感器测量误差的无偏估计值，从而对加速度传感器的测量值进行动态修正，最后利用修正后的加速度信息进行积分估计无人机的空间位置。这种算法具有很强的通用性，不仅仅适用于解决气压传感器以及GPS 与加速度传感器的信息融合问题，同样适用于其他传感器，如超声波、视觉里程计等与加速度传感器的信息融合。

由于惯导的主体为加速度计，采样频率与更新实时性要求比较高，而观测传感器（气压计、GPS、超声波、视觉里程计等）更新相对比较慢（或者数据噪声比较大，通常需要低通造成滞后）。在无人机动态条件下，本次采样的得到的带滞后观测量（高度、水平位置）已经不能反映最新状态量（惯导位置），可以认定传感器在通带内的延时时间具有一致性（或者取有效带宽内的平均延时值），即当前观测量只能反映系统N*dt时刻前的状态，所以状态误差（在这里指的是气压计与惯导高度、GPS水平位置与惯导水平位置）采用当前观测量与当前惯导做差的方式不可取，将惯导的估计位置用数组存起来，根据气压传感器和GPS的滞后程度，选取合适的Buffer区与当前观测传感器得到位置做差得到状态误差。

2 导航系X、Y下的位置估算

由于对GPS解析出来的经纬度是在GPS坐标系WGS84中的，所以我们要把经纬度信息转换到导航坐标系n下变成X、Y（、Z）。将球面投影的方法直接将经纬度转换为X和Y位置坐标。

在得到导航系下的X、Y的位置坐标后，还不足以用来进行定位控制。还需结合惯性器件估算出导航系下X、Y的速度与加速度。而估算方法则采用第1节的回路反馈法估算。其观测器件由气压计转换成了GPS，而导航系下的Z轴加速度转换成X、Y轴加速度。

3 算法验证

如图1为回路反馈法滤波的X、Y、Z数据，互补滤波的数据相对于气压计数据其更新与滤波延迟得到显著改善。当上下左右拖动的时候，数据输出能够随机体运动变化。经过回路反馈算法处理，能够对位置、速度、加速度进行精确地估算，获取的四旋翼飞行器在导航系（X、Y、Z）下的位置、速度、加速度等数据信息运用在悬停定位的控制上也能够取得很好的悬停定位效果。

4 结论

本设计研究了回路反馈法修正的四旋翼位置估计算法。使用惯导器件通过回路反馈法融合气压传感器、GPS传感器的数据可以得到精度较高的位置、速度、加速度信息。此回路反馈法滤波算法具有很强的通用性，不仅仅适用于解决气压传感器以及 GPS 与加速度传感器的信息融合问题，也适用于其它具有类似信号特点的传感器与加速度传感器融合的组合导航问题。由于准确的位置估计是实现无人机位置控制的基础，所以本文采用回路反馈法证明该位置估计算法的有效性。

参考文献：

[1]秦永元.惯性导航[M].北京：科学出版社，2006：289-305.

[2]秦永元.捷聯惯导姿态更新的四子样旋转矢量优化算法研究[J].中国惯性技术学报，2001，9（04）：1-7.

项目类型：广西区大学生创新创业计划项目（201710595169）

作者简介：罗栋（1999-），男，广西合浦人，本科，研究方向：智能飞行器设计。