基于扩展卡尔曼滤波算法的机器人姿态解算研究.pdf

基于扩展卡尔曼滤波算法的机器人姿态解算研究黄龙亮胡鹏飞曹 祥王海军(贵州装备制造职业学院贵州 贵阳)摘 要:针对机器人上的惯性导航系统由于振动干扰存在导致测量数据中包含有大量噪声问题进行了测量数据滤波研究 使用扩展卡尔曼滤波()对传感器测量的数据滤波并进行姿态解算通过静态、动态测试完成滤波前后数据对比实验结果表明扩展卡尔曼滤波()不仅可以滤除测量数据中的大部分噪声同时可以提高姿态解算精度关键词:扩展卡尔曼滤波 噪声 数据滤波 姿态解算中图分类号:.文献标识码:文章编号:():.().().:引言无人机能被广泛用于军用中的侦察、追踪等任务和民用中的航拍、喷洒农药、配送快递等任务在飞行过程中无人机需要利用惯性导航系统不断地检测其飞行姿态为控制算法提供反馈数据实现良好的飞行效果但由于发动机振动和气流的影响会导致惯性导航系统测量的数据存在大量噪声和干扰使得飞行变得不稳定甚至发生坠机的危险惯性导航系统由陀螺仪、加速度计和电子罗盘组成 陀螺仪容易受温度影响在积分后会产生严重的累积误差加速度计易受载体震动和运动加速度的影响电子罗盘容易受外部磁场的影响 这三种传感器测量的数据不能直接使用需要进行传感器数据滤波和姿态解算 目前传感器数据滤波和姿态解算方法包括互补滤波、扩展卡尔曼滤波()和无迹卡尔曼滤波()等但多数研究停留在仿真未进行实际应用 本文利用扩展卡尔曼滤波()进行对传感器数据滤波和姿态解算并通过静态测试和动态测试对比分析 算法的实际效果 滤波器设计惯性导航系统中三轴角速度计输出的角速度有低频噪声通过角速度积分获得的姿态会漂移而三轴加速度计、三轴磁传感器输出静态数据有高频噪声动态数据比较差 因此 滤波器设计中在获取到角速度、加速度和磁向量数据后先使用 算法得到滤波后的数据最后解算出俯仰、滚转、偏航角度流程如图 所示图 基于扩展卡尔曼滤波算法的姿态解算流程图根据哥氏定理和向量在不同坐标系间的变换关系得到方向余弦矩阵的微分方程:()在机体坐标系下的重力场和磁场微分向量:()其中 在 机 体 坐 标 系 下 重 力 场 向 量 在地面坐标系下重力场向量 在机体坐标系下 磁场向量 地面坐标系下的磁场向量 将公式()带入公式()得到:()加速度计和磁航向计的输出表示为:()其中为三轴加速度计测量的比力向量为载体运动加速度在机体坐标系下的向量为测量噪声向量 为真实磁场在机体坐标系下的向量为测量噪声向量假设加速运动很 小 则 有:()选择机体坐标系下的角速度、角加速度、重力加速度和磁场向量作为状态向量即陀螺仪、加速度计和磁航向计输出作为观测向量 非线性离散化的状态方程和观测方程:()根据公式()()得到线性化的状态方程和观测方程:()()式中为状态转移阵为观测阵结合卡尔曼滤波公式()()设计完成滤波器设计 得到状态估计向量 由于 ()所以将估计得到的 带入得到滚转角、俯仰角:()当磁地理坐标系(系)与 系重合时磁航向计的输出为 可得到地磁矢量 轴和 轴分量:()将前面计算得到的滚转角、俯仰角和估计得到的 带入公式()得到偏航角:()实验与分析在编程软件 中将上述扩展卡尔曼滤波算法编写为程序并下载到实验平台数据处理芯片中其中系统噪声阵 和测量噪声阵 如表 所示实验平台如图 所示:)自行搭建 四旋翼)数据滤波解算芯片)数据采集使用 地面站完成)在 中对采集数据显示表 扩展卡尔曼滤波参数表参数角速度 角加速度 加速度 磁场 系统噪声.测量噪声图 扩展卡尔曼滤波算法实验测试平台静态时测量滤波前后数据如图 所示可以发现偏航、俯仰、滚转三通道的尖峰高频噪声明显减少噪声能够得到较好的抑制动态时测量滤波前后数据结果如图 所示可以发现偏航、俯仰、滚转三通道动态性能号同时尖峰高频噪声也明显减少性能表现较好 结论本文使用扩展卡尔曼滤波()对传感器测量的数据滤波并进行姿态解算通过静态、动态测试完成滤波前后数据对比实验结果表明扩展卡尔曼滤波()不仅可以滤除测量数据中的大部分噪声同时可以提高姿态解算精度FLGTTS B ES B ES B ES B ES B EfTTTTS B EFLG图 静态测试滤波前后的 图 动态测试滤波前后的姿态解算角度 姿态解算角度参考文献 张栋焦嵩鸣刘延泉.互补滤波和卡尔曼滤波的融合姿态解算方法.传感器与微系统():.侯玉涵王耀力.改进扩展卡尔曼滤波对四旋翼姿态解算的研究.电子技术应用():.陈孟元谢义建陈跃东.基于四元数改进型互补滤波的 姿态解算.电子测量与仪器学报():.邢小军陈潇然黄龙亮等.面向执行机构故障的四旋翼无人机主动容错飞行控制方法研究.西北工业大学学报():.黄龙亮徐雪琴黄晓飞等.基于滑模理论的旋翼无人机容错飞行系统研究.电子技术与软件工程():.基金项目:贵州省科技支撑计划项目:黔科技合支撑一般 贵阳市科技支撑计划项目:筑科合同 号作者简介:黄龙亮()男(布依族)贵州人讲师硕士研究生毕业于西北工业大学 主要研究导航制导与控制高精度传感器应用电机驱动控制 发表论文 篇发表相关学术论文中文核心 篇、论文 篇增程式电动汽车动力系统参数匹配与仿真李彦晶李万敏朱有地(兰州工业学院 汽车工程学院甘肃 兰州)摘 要:为了使增程式电动汽车动力系统的关键部件驱动电机、蓄电池及增程器在最佳工作区域运行首先在对增程式电动汽车结构分析的基础上根据整车基本参数及性能指标要求对动力系统各部件的参数进行匹配然后在 仿真软件中对动力性进行仿真 仿真结果表明满足增程式电动汽车对动力性能指标的要求参数匹配合理为后续控制策略的研究及经济性仿真提供理论基础关键词:增程式电动汽车 动力系统 参数匹配 仿真中图分类号:.文献标识码:文章编号:():.:引言近年来随着石油资源的短缺以及汽车尾气对环境的污染纯电动汽车因其具有高效、零排放、低噪等优点不仅成为各国政府和汽车制造企业研究的热点而且也成为汽车工业可持续发展的必然趋势但是续驶里程短、成本高、充电时间长等缺点是限制纯电动汽车进一步发展的瓶颈问题 因此在电池技术未取得重大突破的情况下为解决“里程焦虑”实现有限能源的充分利用增程式电动汽车()作为纯电动汽车的平稳过渡车型增加了纯电动汽车续驶里程降低了制造成本是一种具有市场前景的新能源汽车增程式电动汽车是在纯电动汽车动力架构的基础上加装一个由小功率的燃油发动机和发电机组成的既能发电又能给车载动力电池充电的辅助动力单元 增程器()增程器与动 曹祥()男(汉族)江苏讲师硕士研究生毕业于江苏大学主要研究控制理论与控制工程 王海军()男(土家族)湖北讲师硕士研究生毕业于电子科技大学主要研究大数据及工业互联网通讯作者:胡鹏飞()男(苗族)贵州人副教授博士研究生毕业于贵州大学 主要研究智能控制与图像视觉收稿日期: