[发明专利]飞行器姿态角的旋转稳定估计

说明书

技术领域

本发明的总的领域在于飞行器的驾驶辅助领域。

具体地说，本发明涉及测量此种飞行器的姿态。通常，本发明适用于姿态单元。这些测量值主要用于飞行器的驾驶员(通过驾驶飞行显示器(PFD))或飞行显示系统(FDS)所使用的显示器，以及由自动驾驶系统或自动飞行控制系统(AFCS)所使用的显示器。

背景技术

在所考虑的姿态单元中，本发明例如可适用于所谓的姿态和航向参考系统(AHRS)或实际上可适用于称为综合电子备份仪器(IESE)的应急仪器。

在文献FR2614694中描述姿态和航向测量系统的示例。

文献FR2614694描述具有三个探测组件的单元，这三个探测组件对系结于重飞行器本体的三轴系统中的陀螺分量、加速度分量以及磁力计分量分别进行输送。计算装置根据陀螺信息产生投影矩阵，该投影矩阵用于将这些分量投影到本地导航三轴系统中。

其它装置能使用所述矩阵将磁力计分量投影到本地导航系统中，然后确定纵轴和横轴系统中的航向误差。

此外，该装置根据所述姿态和航向误差产生用于系结于重飞行器本体的轴线系统中的陀螺分量的校正量。

在根据文献FR2614694的姿态和航向测量系统中，不管飞行器以0.6度每秒(°/s)以上的速度进行转动还是如何，估计的陀螺偏差(即，陀螺变量的实际值和所测得的值之间的差值)固结。

使估计的陀螺偏差固结的目的在于：避免姿态滤波器由于转动而发生不稳定性，而该不稳定性会致使姿态估计值发生分歧。

此种应用的缺点在于：不再对已固结偏差之后陀螺测量偏差中发生的任何变化进行补偿。通常，当陀螺是作战级别的时，在应用于光纤陀螺(FOG)时这并不起作用，该光纤陀螺具有通常是1度每小时(1°/h)量级的精度。

与此相反，当姿态单元的陀螺具有较低的性能，该陀螺会使所述姿态单元在对姿态和航向进行的估计中产生显著误差。

例如当陀螺偏差具有几十度每小时的量级时，如同具有振动陀螺那样这适用。目前可得到呈微型-机电系统(MEMS)形式的振动陀螺。可使用与制造集成电路的方法类似的方法来制造此种MEMS陀螺，并且成本低廉。

该问题的一个解决方案提供来自诸如全球定位系统(GPS)或伽利略定位系统之类的定位系统的数据和来自惯性测量单元(IMU)的数据的混合数据，从而构建惯性导航系统(INS)。

文献FR2898196描述此种解决方案，即可在http://homepages.laas.fr/jsola/JoanSola/objectes/altres/DEA/RapportDEA.doc获得的由Joan SolàOrtega提交的题为″Reconstitution de l′état d′un micro drone par fusion de données″[Reconstructing the state of a micro-drone by data merging]的文献。

根据那些文献提出全局滤波器(姿态/航向、速度、位置/姿态)。姿态、航向以及垂直滤波器无法与子滤波器隔开(防止它们被分解)，这对于证明它们具有也就是“安全临界”的验证所需稳定性来说至关重要。此外，在变量Q和四维(4)的四元复合形式中处理这三个欧拉角(参见下文)。最后，在机体参考坐标系中表述传感器尤其是陀螺的偏差，由此使其公式复杂化。

此外，目前无法使姿态单元包括具有几十度每小时量级的估计误差或偏差的陀螺。更进一步来说，如果希望获得安全临界验证，这是完全不可能的。然而，存在呈MEMS形式的低成本振动陀螺。采用现有的技术，此种MEMS陀螺具有的偏差过大，以至它们无法包括在姿态单元中。

发明内容

借助示例，本发明目的是解决那些缺点。具体地说，本发明目的在于：

更易于将MEMS陀螺包含在AHRS中；

在转动时对陀螺偏差进行连续估计；以及

确保使姿态、航向以及垂直滤波器与子滤波器隔开，由此确保简化性，因此证明该系统例如对于验证来说稳定。

因此，本发明可提供用于飞行器的、廉价且具有安全临界的驾驶辅助设备。

为此，一方面，本发明提供对飞行器的姿态角进行估计的方法。

在该方法中：

通过对惯性测量单元得到的具有捷联分量的测量值进行算法积分而产生相对于导航轴线表述的航向角的估计值以及线速度矢量的估计值，所述测量值指代所述飞行器的角速度和线加速度。