[发明专利]一种基于自适应互补融合的无人机姿态控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于飞行器控制、信息处理、导航技术领域，具体涉及一种基于自适应互补融合的无人机姿态控制系统及方法。

背景技术

常见无人机按其结构可分为固定翼无人机和旋翼式无人机，与固定翼无人机相比,旋翼无人机具有能够向后飞行、垂直起降和悬停的特点,对起飞、降落场地的条件要求很少,控制起来非常灵活,能够满足多种用途,因此旋翼无人机具有更大的研究价值。四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比，具有结构简单、故障率低、控制灵活和单位体积能够产生更大的升力等优点，并且非常适合在狭小的空间内执行任务，拥有广泛的应用前景。

但是四旋翼飞行器同时又是一个典型的欠驱动系统，具有多变量、强耦合、非线性等特性的系统，而且涉及学科多，领域广，包括机体的合理设计、传感器数据的融合、整机的控制算法等。加上飞行过程中状态复杂，飞行器本身承受多种物理作用和气流等外部环境的干扰，如旋翼的弹性形变、振动、机身自旋等问题，以及传感器的温漂对控制性能产生的影响。上述问题给飞行器及其控制系统的设计带来很大的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自适应互补融合的无人机姿态控制系统及方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明实现了姿态宽范围高精度解算，数据收敛更快，精度更高。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于自适应互补融合的无人机姿态控制系统，包括电机和与其连接的电机驱动器，电机驱动器的控制信号输入端连接至并联的第一控制器和第二控制器；

所述的第一控制器的信号输入端连接自互补型自适应滤波器的信号输出端，互补型自适应滤波器的输入端分别连接第一低通滤波器和四元数微分方程模块，第一低通滤波器的输入端连接加速度计的信号输出端，四元数微分方程模块的信号输入端连接至陀螺仪的信号输出端；

所述的第二控制器的信号输入端连接互补滤波器的信号输出端，互补滤波器的输出端连接四元数微分方程模块和第二低通滤波器，第二低通滤波器的输入端连接至磁力计的信号输出端；

所述第一控制器和第二控制器的信号输入端均连接至遥控器。

进一步地，所述的陀螺仪为MPU-6050六轴传感器。

进一步地，所述的磁力计为HMC5883L磁力计。

进一步地，所述的电机驱动器为电子调速器，电机为无刷电机。

一种基于自适应互补融合的无人机姿态控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：获取加速度计、陀螺仪和磁力计传感器测得的数据，并对加速度计和磁力计测得的数据进行低通滤波处理；

步骤二：对陀螺仪测得的数据以及低通滤波处理后的加速度计和磁力计数据进行融合获得机体姿态数据；

步骤三：根据机体姿态数据和遥控器指令，控制器控制电机，最终控制飞行器姿态。

进一步地，步骤二中对陀螺仪测得的数据以及低通滤波处理后的加速度计和磁力计数据进行融合获得机体姿态数据的方法为：

A)陀螺仪数据通过四元数微分方程得到第一姿态四元数；

四元数微分方程为：

其中为上一周期求得的最终四元数向量，为当前周期四元数的导数；为角速度四元数向量；对该方程近似求解得到第一姿态四元数T为系统更新周期。

B)加速度计数据通过梯度下降法得到第二姿态四元数；

最速下降法求取第二姿态四元数公式为式中为上一周期所求姿态四元数，为当前周期所要求的第二姿态四元数；μ_t为步长，其中，

C)将第一姿态四元数和第二姿态四元数进行互补滤波获得宽范围姿态数据；

互补滤波公式为：Q_t＝(1-α)Q_▽,t+αQ_ω,t,0≤α≤1

式中Q_ω,t为通过步骤A)所求的，Q_t为最终姿态四元数，Q_▽,t为步骤B)中所求得，α为互补滤波动态系数，通过步骤D)自适应调整；

D)引入加速度计值与重力值之差作为互补滤波动态系数，实现自适应调整参数；

式中a_x、a_y、a_z为加速度计测量值，g为当地重力加速度，K是调节系数，B为静止时滤波系数；

E)将步骤C求得的最终姿态四元数转换成横滚角和俯仰角；