[发明专利]一种用于救灾无人机姿态控制的互补滤波方法

说明书

技术领域

本发明涉及防灾减灾技术领域，特别是涉及一种用于救灾无人机姿态控制的互补滤波方法。

背景技术

我国幅员辽阔，气候及自然环境复杂多变，各类极端天气与气候日益频发，地震、火山、台风、龙卷、山洪、泥石流等自然灾害已经对我国人民生命财产安全构成了极大的威胁，对基础设施建设、工农业生产、林牧养殖造成了严重破坏。灾害预警是指灾害发生前应急网络的建立和灾害信息的发布，以提前做出针对灾害的防范工作，尽最大可能降低灾害所带来的破坏。在与自然灾害的长期斗争过程中，我国已逐步形成了一系列基于观测数据的灾害预警机制，自然灾害的预警信息系统已在实际工作中得到应用。但传统的灾害预警方法信息化和智能化程度不高，预警不及时、信息发布缓慢，且覆盖范围有限，在恶劣的天气环境下信号的传输更是得不到保证。难以做好应对灾害的充分准备。传统的气象基于多终端的灾害预警及信息发布系统存在着严重缺陷。

无人机具有速度快、视野广、机动性好、不惧怕恶劣自然环境的优点，搭载智能探测设备的无人机在自然灾害预警信息采集中发挥着重要作用。传统的无人机姿态控制中，姿态角可以由陀螺仪积分得出，也可以通过加速度传感器测量重力加速度在载体系三轴上的向量分解坐标推导得出。其中陀螺仪解算姿态角具有如下优势：(1)高频动态响应特性良好，其输出能够迅速响应姿态角的变化；(2)无高频噪声干扰，输出值平滑；(3)陀螺仪的输出不受外部加速度的干扰，在载体处于剧烈震动的情况下仍能维持稳定的输出；但也具有如下缺陷：(1)陀螺仪的零点会随温度及其它外部环境因素的改变而产生漂移；(2)对陀螺仪输出值的积分会产生累计误差，长时间运行后解算误差较大。利用加速度计解算姿态角具有如下优势：(1)低频特性良好，静态输出稳定，没有漂移和累积误差；(2)姿态解算计算量小，在没有外部加速度时(仅有重力加速度)的情况下，能够迅速得出准确的瞬时姿态角数据；但也具有如下缺陷：(1)有高频噪声干扰；(2)高频动态特性较差，其输出不能迅速响应姿态角的快速变化；(3)容易受到外部加速度的干扰，如果存在除重力加速度之外的加速度，将无法得出准确的姿态角。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种用于救灾无人机姿态控制的互补滤波方法。

为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于救灾无人机姿态控制的互补滤波方法，所述方法包括如下步骤：

(1)由于加速度计的输出中含有高平噪声，在数据融合之前，对加速度计的解算值进行低通滤波，滤除噪声干扰和累积增量；

(2)由于陀螺仪在静态下，存在温度漂移现象，因此对陀螺仪的解算结果进行高通滤波；

(3)加速度计解算姿态角具有较好的低频特性，而高频特性较差，而陀螺仪具有较好的高频动态特性，利用二者频率特性的互补性，进行数据的重构融合。

所述方法包括如下步骤：将原始输入信号按傅立叶分解展开，即：

对于原始信号中的正弦分量，将会被低通滤波器极大的衰减，但能以很小的衰减通过高通滤波器；对于原始信号中的正弦分量，将会被高通滤波器极大的衰减，但能以很小的衰减通过低通滤波器，将高通滤波器和低通滤波器的输出进行整合，即可得到全部频域内的信号。

所述高通滤波算法如下：

设某一采样时刻，由陀螺仪解算直接得到的姿态角度为θ_gyro(k)(俯仰角、横滚角或偏航角)，前一次采样时刻由陀螺仪解算直接得到的结果为θ_gyro(k-1)，前一次采样时刻高通滤波之后的姿态角为θ_Highpass(k-1)，则当前采样时刻高通滤波之后的姿态角θ_Highpass(k)的表达式为：