[发明专利]一种飞行器陀螺仪的零点漂移偏差和姿态估计方法

说明书

本发明公开了一种飞行器陀螺仪的零点漂移偏差和姿态估计方法，基于飞行器的姿态运动学方程设计有限时间观测器；将飞行器的期望姿态和陀螺仪测出的角速度测量值输入有限时间观测器中，通过有限时间观测器将零点漂移偏差在有限的时间内估计出来；所述飞行器的期望姿态为人为设定的期望飞行器所达到的目标姿态；将陀螺仪测出的角速度测量值减去零点漂移偏差，即可得到角速度的真实值。本发明中的有限时间观测器是基于飞行器姿态运动学方程所设计的数学模型，更具有针对性，且具有更高的抗干扰性能和更快的收敛性，因此本发明的精度高、收敛性快，能够实时快速、准确地估计零点漂移偏差。

技术领域

本发明涉及飞行器陀螺仪校准的技术领域，尤其是一种飞行器陀螺仪的零点漂移偏差和姿态估计方法。

背景技术

飞行器在姿态控制的时候，需要用到角速度和姿态。角速度一般可以由陀螺仪测量得到，但是由于供电和器件自身的原因，陀螺仪在每次上电的初始时刻将有一个不固定的常值，称之为零点漂移值，零点漂移值受供电电源和环境温度等因素的影响，会大大影响陀螺仪的精度。飞行器姿态可以通过陀螺仪的角速度数据对飞行器姿态运动学方程解算获得，也可以通过加速度计获取，但陀螺仪角速度数据存在误差，加速度计存在噪声干扰，导致了其获得的姿态并不精确。

在飞行器姿态控制的时候，由于飞行器姿态和角速度数据获取的不精确，导致飞行器的控制力矩将会有偏差，可能会导致飞行器的控制失效。另外飞行器在平稳飞行的时候，期望角速度一般为0，但由于存在零点漂移值，其所测得的角速度将不为0，会对飞行器的平稳控制产生极大的威胁，严重可能导致飞行器的震颤从而造成控制失效。

在现有的技术中，一般针对飞行器零点漂移采用物理标定偏差的办法，如“四旋翼飞行器航姿参考系统的误差补偿方法研究，杨志永,《计算机测量与控制》,2016年02期”，即在陀螺仪每次上电时候，对陀螺仪进行物理标定，该标定方法需要采集大量陀螺仪的数据，该标定方法不仅费时费力，而且精度不是很高。现有的技术中，姿态估计一般采用卡尔曼滤波算法，卡尔曼滤波对高斯噪声具有一定的抑制作用，但在实际飞行器系统中，传感器测量数据存在大量非高斯噪声。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种飞行器陀螺仪的零点漂移偏差和姿态估计方法，基于飞行器姿态运动学方程设计有限时间观测器的数学模型，使得有限时间观测器更具有针对性，且具有更高的抗干扰性能和更快的收敛性，本发明的精度高、收敛性快，能够实时快速、准确地估计零点漂移偏差和飞行器姿态值。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种飞行器陀螺仪的零点漂移偏差和姿态估计方法，包括以下步骤：

S1，设计有限时间观测器，所述有限时间观测器用于根据由加速度计测出的姿态测量值和由陀螺仪测出的角速度测量值，在有限的时间内估计出零点漂移偏差和飞行器姿态值；

S2，将由加速度计测出的姿态测量值和由陀螺仪测出的角速度测量值输入有限时间观测器中，通过有限时间观测器将零点漂移偏差和飞行器姿态值在有限的时间内估计出来；

S3，将陀螺仪测出的角速度测量值减去零点漂移偏差，即可得到角速度的真实值；有限时间观测器估计输出的飞行器姿态值即为飞行器真实姿态值。

步骤S1中，基于飞行器的姿态运动学方程设计所述有限时间观测器，具体过程如下所示：

飞行器的姿态运动学方程：

其中，σ为基于修正的罗德里格参数MRPs所表示的姿态，σ为三维向量，σ＝[σ₁,σ₂,σ₃]；为姿态σ对时间的导数；ω为实际角速度即角速度真实值；

G(·)为姿态矩阵，如下所示：