一種抗大氣參數(shù)漂移的無人機飛行導航系統(tǒng)高度信息融合方法

1.一種抗大氣參數(shù)漂移的無人機飛行導航系統(tǒng)高度信息融合方法，其特征在于：采用基站氣壓傳感器及機上氣壓傳感器構(gòu)建氣壓高度差分觀測量，抑制氣壓高度傳感器的大氣環(huán)境漂移誤差；使用慣性測量單元IMU及磁傳感器構(gòu)成的AHRS(Attitude?and?Heading?Reference?System，航姿參考系統(tǒng))進行姿態(tài)更新，獲得機上加速度在導航系的天向加速度分量，同時與氣壓高度差分量測量進行信息融合，獲得高度通道的高度、速度估計值；使用加計輔助氣壓高度的互補濾波器CF+氣壓高度輔助加計的卡爾曼濾波器KF構(gòu)成的雙濾波器實現(xiàn)高度通道的信息融合，實現(xiàn)自適應無人機動態(tài)特性的較優(yōu)融合；
采用基站氣壓傳感器及機上氣壓傳感器構(gòu)建氣壓高度差分觀測量時，基站氣壓傳感器與機上氣壓傳感器在小于5公里的飛行范圍內(nèi)的大氣漂移量近乎相同，故將基站氣壓傳感器經(jīng)過預處理后以1HZ的頻率發(fā)送到無人機的機上處理器，從而與機上氣壓傳感器構(gòu)造氣壓差分量測量可以減小氣壓高度的漂移誤差；
所述互補濾波器CF作為子濾波器1，利用加速度計算高度與氣壓高度量測量噪聲的互補特性實現(xiàn)高度信息估計；
所述卡爾曼濾波器KF作為子濾波器2，子濾波器2分為動態(tài)遞推和濾波更新兩個過程，在非濾波時刻利用加速度與高度的動力學方程對高度通道的狀態(tài)量進行遞推解算，在濾波時刻利用氣壓高度量測量校正高度估計的狀態(tài)量；
使用加計輔助氣壓高度的互補濾波器CF+氣壓高度輔助加計的卡爾曼濾波器KF構(gòu)成的雙濾波器實現(xiàn)高度通道的信息融合時，根據(jù)無人機的運動特性自適應分配雙濾波器的權重，進行信息融合；當無人機處于運動狀態(tài)時，加大卡爾曼濾波器KF的融合權重，提高整個濾波器的動態(tài)響應能力；當無人機處于靜止或平穩(wěn)運動狀態(tài)時，互補濾波器CF的高度、速度估計結(jié)果的平滑性優(yōu)于卡爾曼濾波器KF，加大互補濾波器的融合權重。
2.根據(jù)權利要求1所述一種抗大氣參數(shù)漂移的無人機飛行導航系統(tǒng)高度信息融合方法，其特征在于：所述基站氣壓傳感器及機上氣壓傳感器為低成本氣壓傳感器；所述慣性測量單元IMU為MEMS工藝慣性測量單元；滿足小型無人機機載電子設備低功耗、小體積、輕質(zhì)量的限制。
3.根據(jù)權利要求1所述一種抗大氣參數(shù)漂移的無人機飛行導航系統(tǒng)高度信息融合方法，其特征在于：使用慣性測量單元IMU及磁傳感器構(gòu)成的AHRS(Attitude?and?Heading?Reference?System，航姿參考系統(tǒng))進行姿態(tài)更新時，首先通過AHRS獲得姿態(tài)信息，由姿態(tài)信息計算方向余弦矩陣 再由余弦矩陣 計算加速度在導航系的天向加速度分量。
4.根據(jù)權利要求1所述一種抗大氣參數(shù)漂移的無人機飛行導航系統(tǒng)高度信息融合方法，其特征在于：所述無人機處于運動狀態(tài)、靜止或平穩(wěn)運動狀態(tài)判斷方法為：無人機在高度方向上的運動特性由天向加速度、天向速度共同決定，當天向加速度的均值、方差以及速度均小于相應的門限值時，則判斷無人機處于靜止或平穩(wěn)運動狀態(tài)中，反之則判斷無人機在高度方向上處于運動狀態(tài)。

一種抗大氣參數(shù)漂移的無人機飛行導航系統(tǒng)高度信息融合\n方法\n技術領域\n[0001] 本發(fā)明涉及一種抗大氣參數(shù)漂移的無人機飛行導航系統(tǒng)高度信息融合方法，適用于低成本氣壓高度傳感器和MEMS?IMU的無人機飛行導航系統(tǒng)的高度通道估計。\n背景技術\n[0002] 微小型無人機采用MEMS級別的IMU及低成本的氣壓高度計等作為測量傳感器。IMU包含加速度、陀螺儀等傳感器，與磁羅盤可構(gòu)成無人機系統(tǒng)的AHRS系統(tǒng)，為無人機提供可靠的姿態(tài)信息。導航系統(tǒng)準確的高度、速度估計結(jié)果為無人機的高度控制提供有力的保障。微小型無人機系統(tǒng)集成的高度通道測量傳感器受體積、質(zhì)量、成本的影響，存在著漂移、延遲、隨機噪聲大等問題。本發(fā)明針對傳統(tǒng)的氣壓高度傳感器存在的問題，提出了一種利用差分氣壓高度觀測量抗大氣參數(shù)漂移的高度信息融合方法。\n[0003] 傳統(tǒng)的高度通道估計一般采用多傳感器、單一融合方法進行信息融合,無法民氣壓高度計的大氣漂移及延遲等問題。\n發(fā)明內(nèi)容\n[0004] 本發(fā)明的技術解決問題是：克服傳統(tǒng)低成本氣壓高度計的漂移、延遲等問題，提供一種抗大氣參數(shù)漂移的無人機飛行導航系統(tǒng)高度信息融合方法，在多傳感器信息融合的基礎上，采用互補濾波器及卡爾曼濾波器雙濾波器，根據(jù)無人機的運動特性自適應分配雙濾波器的權重，充分發(fā)揮兩種濾波器各自的優(yōu)勢，具有更好的可靠性，為無人機高度通道提供較優(yōu)的高度、速度估計。\n[0005] 本發(fā)明的技術解決方案為：一種抗大氣參數(shù)漂移的無人機飛行導航系統(tǒng)高度信息融合方法，采用基站氣壓傳感器及機上氣壓傳感器構(gòu)建氣壓高度差分觀測量，抑制氣壓高度傳感器的大氣環(huán)境漂移誤差；使用慣性測量單元IMU及磁傳感器構(gòu)成的AHRS(Attitude?and?Heading?Reference?System，航姿參考系統(tǒng))進行姿態(tài)更新，獲得機上加速度在導航系統(tǒng)的天向加速度分量，同時與氣壓高度差分量測量進行信息融合，獲得高度通道的高度、速度估計值；使用加計輔助氣壓高度的互補濾波器CF(Complementary?Filter)+氣壓高度輔助加計的卡爾曼濾波器KF(Kalman?Filter)構(gòu)成的雙濾波器實現(xiàn)高度通道的信息融合，實現(xiàn)自適應無人機動態(tài)特性的較優(yōu)融合。\n[0006] 具體包括以下步驟：\n[0007] (1)采用基站氣壓傳感器與機上氣壓傳感器構(gòu)造氣壓差分觀測量。基站氣壓傳感器安裝在地面系統(tǒng)中，保持靜止狀態(tài)。基站與機上氣壓傳感器在小于5公里的飛行范圍內(nèi)的大氣漂移量近乎相同，大氣漂移為緩變量，故基站氣壓傳感器經(jīng)過預處理后以1HZ的頻率發(fā)送到機上處理器，與機上氣壓傳感器構(gòu)造氣壓差分量測量以減小氣壓高度的漂移誤差。慣性測量單元IMU為MEMS(Micro-electromechanical?Systems)工藝慣性測量單元，滿足小型無人機機載電子設備低功耗、小體積、輕質(zhì)量的限制。\n[0008] (2)無人機的天向加速度由載體系的加速度通過 陣分解得到。 陣則由IMU及磁傳感器組成的AHRS系統(tǒng)實時更新的姿態(tài)信息計算得到。\n[0009] (3)子濾波器1(CF)為加計輔助氣壓高度的互補濾波器，利用加速度計算高度與氣壓高度量測量噪聲的互補特性實現(xiàn)高度信息估計。加速度計算高度噪聲具有低頻統(tǒng)計特性，氣壓高度量測量具有高頻統(tǒng)計特性，采用互補濾波器進行信息融合得到較為平滑的估計結(jié)果。\n[0010] (4)子濾波器2(KF)為氣壓高度輔助加速度的卡爾曼濾波器，具有較好的動態(tài)響應。子濾波器2分為動態(tài)遞推和濾波更新兩個過程。在非濾波時刻利用加速度與高度的動力學方程對高度通道的狀態(tài)量進行遞推解算，在濾波時刻利用氣壓高度量測量校正高度估計的狀態(tài)量。子濾波器2具有較好的動態(tài)響應，利用加速度與高度的動力學方程在非濾波時刻對高度通道的狀態(tài)量進行遞推解算，濾波時刻利用氣壓高度量測量校正高度估計的狀態(tài)量。\n[0011] (5)在每個計算周期，均采取加計輔助氣壓高度的互補濾波器+氣壓高度輔助加計的卡爾曼濾波器雙濾波器進行濾波更新，根據(jù)無人機的運動特性自適應分配雙濾波器的權重，進行高度通道的信息融合。\n[0012] (6)使用加計輔助氣壓高度的互補濾波器CF+氣壓高度輔助加計的卡爾曼濾波器KF構(gòu)成的雙濾波器實現(xiàn)高度通道的信息融合時，根據(jù)無人機的運動特性自適應分配雙濾波器的權重，進行信息融合；當無人機處于運動狀態(tài)時，因互補濾波器CF的高度、速度估計結(jié)果受氣壓高度延遲影響，故加大卡爾曼濾波器KF的融合權重，提高整個濾波器的動態(tài)響應能力；當無人機處于靜止或平穩(wěn)運動狀態(tài)時，互補濾波器CF的高度、速度估計結(jié)果的平滑性優(yōu)于卡爾曼濾波器KF，加大互補濾波器的融合權重。\n[0013] (7)當天向加速度的均值、方差以及速度均小于相應的門限值時，則判斷無人機在高度方向上處于靜止或平穩(wěn)運動狀態(tài)，加大互補濾波器的權重，獲得更平滑的濾波結(jié)果；反之則判斷無人機在高度方向上有機動運動，處于運動狀態(tài)，加大卡爾曼濾波器的權重，獲得更好的動態(tài)特性。\n[0014] (8)傳感器量測數(shù)據(jù)更新，上述步驟重復計算。\n[0015] 本發(fā)明的原理是：氣壓高度傳感器為高度狀態(tài)量的估計提供直接觀測量，采用氣壓差分觀測量抑制高度觀測量的大氣漂移誤差。利用機上的IMU及磁傳感器組成的AHRS系統(tǒng)，計算天向加速度觀測量，實現(xiàn)多傳感器在高度通道上的信息融合。使用互補濾波器/卡爾曼濾波器雙濾波器的信息融合方法，根據(jù)無人機的運動特性自適應分配雙濾波器的權重，充分發(fā)揮兩種濾波器各自最大的優(yōu)勢，得到無人機高度、速度的較優(yōu)估計。\n[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：\n[0017] (1)本發(fā)明針對微小型無人機的低成本氣壓高度量測量存在的漂移、延遲、隨機噪聲大等問題，提出了一種抗大氣參數(shù)漂移的信息融合方法。采用基站與機上氣壓計的差分量作為子濾波器的觀測量抑制大氣參數(shù)的漂移誤差。相對于傳統(tǒng)的高度通道信息融合技術，本發(fā)明采用多傳感器、多融合方法進行高度通道的信息融合。用互補濾波器及卡爾曼濾波器雙濾波器，根據(jù)無人機的運動特性自適應分配雙濾波器的權重，充分發(fā)揮兩種濾波器各自的優(yōu)勢，具有更好的可靠性，為無人機高度通道提供較優(yōu)的高度、速度估計。\n[0018] (2)本發(fā)明以低成本氣壓高度計和MEMS?IMU等為測量傳感器，采用基站與機上的氣壓差分觀測量，以互補濾波器和卡爾曼濾波器雙濾波器進行信息融合，改善氣壓高度計的大氣漂移及延遲等問題，為無人機提供較優(yōu)的高度、速度估計值。本發(fā)明適用于低成本氣壓高度傳感器和MEMS?IMU的無人機飛行導航系統(tǒng)的高度通道估計。\n附圖說明\n[0019] 圖1為本發(fā)明的抗大氣參數(shù)漂移的無人機飛行導航系統(tǒng)高度信息融合方法流程圖。\n具體實施方式\n[0020] 如圖1所示，本發(fā)明的具體方法如下：\n[0021] (1)基站氣壓傳感器經(jīng)過預處理后以一定的頻率發(fā)送到機上處理器，與機上氣壓傳感器構(gòu)造氣壓差分量測量hdiff＝hd-hb。hd為機上氣壓測量值，hb為基站氣壓測量值，hdiff為氣壓差分量測量。\n[0022] (2)選擇東北天坐標系為無人機的導航坐標系，由機上的IMU及磁傳感器組成的AHRS系統(tǒng)得到姿態(tài)角(φθψ)，φ、θ、ψ分別為滾轉(zhuǎn)、俯仰和航向姿態(tài)角，計算方向余弦矩陣由方向余弦矩陣將機體系下的加速度轉(zhuǎn)換到導航系下，獲得天向加速度觀測量aU。\n分別為機體系下的加速度，aE、aN、aU分別東、北、天向加速度。\n[0023]\n[0024]\n[0025]\n[0026] (3)將步驟(1)、(2)計算得到的氣壓差分觀測量hdiff和天向加速度aU送入子濾波器\n1(加計輔助氣壓高度的互補濾波器)和子濾波器2(氣壓高度輔助加計的卡爾曼濾波器)進行濾波估計分別得到k時刻子濾波器1和子濾波器2的高度、速度估計值 和\n[0027] (4)子濾波器1的計算方法如下，由天向加速度aU對前一濾波時刻得到的高度、速度估計 進行狀態(tài)更新得 利用氣壓高度與\n狀態(tài)更新的高度作為誤差校正量 閉環(huán)校正高度、速度估計。得到子濾波\n器1的高度、速度估計量\n[0028] (5)子濾波器2的計算方法如下，在非濾波時刻t時刻，由天向加速度aU對前一時刻的高度、速度估計 進行狀態(tài)更新。達到濾波時刻k時刻，利用氣壓高度\n觀測量作為高度量測量對子濾波器2進行量測更新獲得子濾波器2的高度、速度估計子濾波器2在非濾波時刻充分信賴加速度傳感器的數(shù)據(jù)，具有較好的動態(tài)\n響應能力。\n[0029] (6)對子濾波器1和子濾波器2的高度、速度估計值 和\n進行信息融合，融合權重分別為β1和β2。β1和β2均小于1，且β1+β2＝1。當β1＞β2時，對CF濾波器信賴的權重更大；當β1＜β2時，對KF濾波器信賴的權重更大。\n[0030]\n[0031]\n[0032] (7)根據(jù)無人機當前的運動特性自適應分配雙濾波器的融合權重β1、β2，β1+β2＝1。\n當1s內(nèi)天向加速度的均值am、方差astd以及天向速度vu均小于相應的門限值時，則判斷無人\n2\n機在高度方向上處于靜止或平穩(wěn)運動狀態(tài)。天向加速度的均值門限可取0.2m/s ，加速度方差門限值與加速度傳感器的噪聲統(tǒng)計特性有關，對于RMS為 的MEMS加速度傳感器，閾值可取0.05，速度門限可取2-5m/s。\n[0033] 當無人機處于靜止或平穩(wěn)運動狀態(tài)，此時應加大互補濾波器的權重，β1＞β2，獲得更平滑的濾波結(jié)果。當無人機在高度方向上有機動運動，處于運動狀態(tài)，則加大卡爾曼濾波器的權重，β1＜β2，獲得更好的動態(tài)特性。具體的權重計算公式由上述閾值可設計如下所示。\n[0034]\n[0035] (8)在測量值更新時迭代重復上述過程。\n[0036] 總之，本發(fā)明使用加計輔助氣壓高度的CF+氣壓高度輔助加計的KF雙濾波器實現(xiàn)高度通道的信息融合，改善氣壓高度的延遲問題，實現(xiàn)自適應無人機動態(tài)特性的高度通道的較優(yōu)融合。本發(fā)明適用于低成本氣壓高度傳感器和MEMS?IMU的無人機飛行導航系統(tǒng)的高度通道估計。\n[0037] 本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。\n[0038] 提供以上實施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。