基于自适应扩展卡尔曼滤波的微小型航姿系统设计与实现

摘要

微小型无人机因低功耗、低成本、高隐蔽性和高机动性等优点，近几年在军事、工商业和农业领域都有广泛的应用，无人运载体的姿态角（即俯仰角、航向角和滚转角）也因是执行任务中最受关注的信息而成为研究的热点。多传感器信息融合技术的发展，为低成本、中等精度MEMS惯导器件与GPS信息融合提供了方案与思路。本文基于LPC3250核心处理器设计了微小型航姿系统的硬件模块，并以此为平台对导航滤波算法进行研究与验证，主要有以下几项工作任务。 （1）针对微小型航姿系统低功耗、低成本以及微小型无人运载体舱狭小的特点，选用了内核为ARM9的中央处理器LPC3250；MEMS惯导是集成了三轴加速度计、磁力计、陀螺仪的惯性导航芯片GY953；卫星接收机为BLOX6M GPS。设计了底层电源以及各类接口的底层电路原理图，布线后得到PCB底层电路板块，将各类元器件安装在底层板块上之后对各个功能模块进行测试以及故障检测工作。 （2）针对无人运载体受到粗差和异常值干扰时，采用基于M值估计的鲁棒卡尔曼滤波应用条件为缓慢变化的系统；整体性地介绍了间接法在姿态解算中的应用，即利用理论误差与实际误差差值的自适应卡尔曼输出值来校正陀螺仪的姿态解算，从而求取无人运载体姿态的最优解；无人运载体高机动飞行时，对于加速计和磁力计导出的加速度中存在有害值，提出利用GPS中多普勒速度解算法求取运载体的运动加速度加以补偿。 （3）分别介绍基于导航姿态误差角的系统、量测方程，然后建立了扩展卡尔曼滤波器、强跟踪自适应滤波器、鲁棒Sage-Husa自适应扩展卡尔曼滤波器、以及改进型鲁棒Sage-Husa自适应卡尔曼滤波器；仿真验证结果表明，改进型鲁棒Sage-Husa自适应卡尔曼滤波算法精度高、实时性强、总体性能好。 （4）应用模块化的思想，基于ADS1.2的开发环境对航姿系统的软件进行了设计。通过实验室静态实验，室外手持航姿模块动态实验，转台静态和转动实验，转台跑车实验对所设计的微小型航姿系统性能进行验证，实验结果表明了实物具备工程可行性。

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