Wang Yongjun 1,2, 1,2 Li Zhi, Li Xiang 2
(1 télémesure sans pilote Guilin Institute of Aerospace Laboratory, Guilin 541004, Chine;
2. École de génie électronique et l'automatisation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004)
Afin de résoudre le problème du cap des drones à faible coût et l'attitude de mesure de précision, système de mesure système de cours conçu à base de capteurs Marg. Le système est constitué de l'IMU MEMS, une boussole électronique et une composition de STM32F407 à microprocesseur, une plus petite quantité de calcul et de l'algorithme de descente de gradient amélioré deuxième algorithme de filtrage complémentaire de commande et une boussole électronique ayant une caractéristique de filtre composite de données IMU complémentaires, et quaternion le nombre de transformation de coordonnées, calculée par les informations de cap de l'avion. Par des essais expérimentaux du n système de mesure et l'analyse de validation sur giravion, les résultats montrent que, sans aide extérieure, les informations, le système peut résoudre le problème du bruit et le cap mesure, pour répondre à la petite giravion sans pilote caractéristiques des machines pour cap.
CLC: V249
Code de document: A
DOI: 10,16157 / j.issn.0258-7998.173121
format de citation chinois: Ceindre Zhi, Li Xiang. UAV en-tête de recherche sur les systèmes de mesure en utilisant une combinaison de l'algorithme de filtrage Technologie électronique, 2018,44 (2): 39-43.
Anglais format de citation: Wang Yongjun, Li Zhi, Li Xiang. La recherche du n système de mesure pour UAV basé sur filtre combiné . Application de la technique électronique, 2018,44 (2): 39-43.
0 introduction
A la tête est un paramètre important de vol des avions sans pilote, pendant le vol, l'accès en temps réel à l'information de cap précis détermine la fiabilité et la stabilité de l'avion de l'avion. Aujourd'hui, avec le développement de la technologie micro-électronique, petit à faible coût drones à voilure tournante largement utilisé pour mesurer le système microélectromécaniques (MEMS) axe gyroscope, un accéléromètre triaxial et magnétomètre triaxial rubrique . Le capteur MEMS lui-même a une erreur et une erreur aléatoire divergente perturbation externe erreur non orthogonale, et le point de données généré généré, de sorte que le besoin de multiples capteurs et algorithme de fusion de données de traitement d'erreur pour trouver le meilleur, pour obtenir une information de cap précis.
La plupart des systèmes de mesure de la position actuelle par le gyroscope et magnétomètre composé principalement méthode de correction Compass et des algorithmes de filtrage de Kalman pour calculer les informations de position . Luo procédé de correction de différence pour la correction de magnétomètre, mais une certaine précision peut être améliorée, mais seulement pour la correction du système de capteur magnétique est toujours incapable d'améliorer la précision de position quand il est soumis à des interférences à basse fréquence prolongée, et l'algorithme de Kalman peut être étendue à son magnétomètres et gyroscopes fusion de l'information, de manière efficace une courbe lisse, l'erreur à haute fréquence est supprimée, mais ne peut pas éliminer l'erreur du magnétomètre d'interférence magnétique dur et doux soumis, et la nécessité de la mise en place d'une équation d'état fiable et stable de l'application, la détermination bruit de mesure appropriée et de la matrice de covariance de bruit de processus nécessite une grande surcharge de temps.
Dans cet article, nous concevons un système de mesure de cap (MEMS) unité de mesure inertielle (UMI) et une boussole électronique basé sur l'algorithme de descente de gradient pour la correction d'erreur du magnétomètre et un gyroscope, et seul le processus de multiplication et la solution d'attitude ajoutant, algorithme de microcontrôleur commun qui peut répondre aux exigences de . En outre, dans la base du filtre de compensation proposée MAHONY R sur l'optimisation et l'amélioration, le deuxième ordre combiné algorithme de filtre complémentaire pour la fusion de données, afin d'obtenir une sortie de position précise.
1 et décrit cap angle la conception du système de drone
1.1 Définition de la matrice de posture du système de coordonnées
AHRS UAV comprend angle de cap de l'information (aussi appelé angle de l'aéronef), l'angle d'inclinaison [theta], l'angle de roulis . Sélectionnez « Jours au nord-est » comme système de coordonnées géographiques (appelé base ENU), « avant droite » est le corps système de coordonnées (appelé système NED), étant donné que le système basé sur ENU NED et est un système de coordonnées cartésiennes sont toujours maintenues entre l'arbre et chaque vertical, par conséquent, la relation de position spatiale entre le système NED et le système peut être considéré comme point de rotation de corps rigide ENU . L'angle entre le système de coordonnées géographiques et l'organe de conversion de coordonnées relation représentée sur la Fig.
1.2 Conception du système
Le matériel en-tête de système de mesure se compose de MEMS-IMU, MEMS boussole électronique et un dispositif de commande principal, tel que représenté sur la Fig. Dans lequel les MEMS-IMU utilise MPU-6500 de InvenSense, qui se compose d'un accéléromètre triaxial et triaxial gyroscope sortie de boîte de vitesse angulaire composition de l'aéronef par l'intermédiaire du port SPI, des informations de position d'accélération pour calculer l'angle de tangage et de roulis angle, le compas électronique MEMS est utilisé sociétés LSM303D ST (ST), ses données de magnétomètres triaxiaux interne peut être sortie à travers l'orifice de bus SPI champ magnétique mesuré, en outre, en son sein peut être mesuré par l'accélération triaxial vecteur de gravité, pour obtenir l'angle d'inclinaison du support d'informations, et des informations de sortie en compensant cours de fonctionnement. En ST CM4 microcontrôleurs maître de base ARM 32 bits STM32F407 HIGH, la principale solution d'attitude de mesure de précision, le cap de l'aéronef est complété par l'obtention des données de sortie de MEMS.
Etant donné que le capteur d'accélération IMU gyroscope, un accéléromètre et une boussole électronique dans les informations d'accélération peut être mesurée, la configuration des capteurs du système a également un certain degré de redondance, une autre tâche est le contrôleur principal de données de chaque capteur est complémentarité l'intégration des données, améliorer la précision du solveur de posture. Le contrôleur principal lit les données brutes recueillies par le capteur, et les données de sortie de l'accéléromètre optimisés méthode de descente de gradient de boussole électronique de magnétomètre, on obtient avec un bon quaternionique statique, puis utiliser le filtre complémentaire modifié des informations de posture dynamique obtenu avec la fusion de filtration IMU de préférence, et enfin par la solution de conversion quaternionique de coordonnées angle de cap calculé.
2 Les données de rubrique Filtrage conception algorithmique
2,1 descente de gradient
algorithme de descente de gradient est un algorithme itératif extremum, le processus de mise en uvre spécifique consiste à rechercher le sens négatif de la pente de l'optimisation de la fonction objective. L'accéléromètre de la boussole électronique et magnétomètre ayant une bonne caractéristiques statiques, l'utilisation à long terme sans introduire erreur d'intégration, mais par un accéléromètre et un vecteur de mouvement de vibration plus d'impact, environnement dynamique, une grande erreur instantanée et facile magnétomètre Environnement par des interférences magnétiques durs et mous , de sorte que le papier en utilisant un algorithme de descente de gradient appliqué à un compteur de vitesse et une donnée de sortie de magnétomètre optimisée pour obtenir une bonne caractéristique statique quaternion, et se dirigeant ensuite pour l'étape suivante solveur.
Il est évident que f (q) 0, plus l'attitude de quaternion d'optimisation peut être converti pour le f (q) au minimum.
méthode de descente de gradient dans la posture pendant le résolveur seul simple addition et la multiplication, l'équation de mise à jour de quaternion devient :
complémentaire de l'algorithme filtrage amélioré 2.2
Après la conversion est corrigée par la méthode de descente de gradient d'attitude de quaternion en utilisant un magnétomètre électronique de la boussole et l'accéléromètre triaxial sont mesurés pour donner une valeur appelée un geste. La caractéristique de l'accéléromètre et magnétomètre, l'erreur accumulée ne soit pas introduite, mais dans le cas de dynamique introduira des erreurs transitoires. Au lieu de cela IMU gyroscopique peut être mesuré avec une grande données d'attitude de précision temporelle, mais les erreurs cumulées. À condition que les gyroscopes IMU et des accéléromètres Integral Solutions valeur d'assiette calculée directement, et selon une caractéristique complémentaire dans le domaine des fréquences, l'intégration des deux filtres complémentaires par des méthodes classiques, pour obtenir une nouvelle valeur d'attitude, tout en éliminant simultanément faible et l'interférence à haute fréquence, pour obtenir l'intégration des données de posture, cependant, le filtre complémentaire atténuation coupe-bande passe-bas est lente, l'erreur est importante, les vibrations, la mauvaise filtration. Par conséquent, dans le filtre complémentaire classique sur la base de la partie PI ajoutée (proportionnel intégral) constituant le filtre complémentaire du second ordre modifié, comme représenté sur la Fig.
3 montre que:
2.3 résolveur rubrique composition
Le quaternion système calculé sur la base d'équations différentielles, à savoir quaternion (1) une pose résoudre, la méthode différentielle de quaternion est utilisée solveurs : l'unité d'amplitude de rotation d'échantillon, plusieurs sous-échantillon vecteur de rotation, la méthode de Runge-Kutta et un procédé de développement de Taylor. vecteur rotation est utilisé pour la sortie des incréments angulaires gyroscopiques, et la sortie est sous la forme de MEMS gyroscope de vitesse angulaire. Compte tenu de la précision de fonctionnement et la vitesse, le système de la présente quatrième ordre - méthode de Runge-Kutta pour résoudre les équations différentielles:
Où, h est la donnée d'attitude période d'échantillonnage, à savoir quaternion période de mise à jour; cob (t) ,, cob (t + h) est la valeur d'échantillon de temps de l'h gyroscopique du cycle de mise à jour. Extraction de données gyroscope chaque période d'échantillonnage, de formule (10) pour le calcul itératif, il est possible d'obtenir quaternion de mise à jour en temps réel, pour arriver à l'angle de cap.
3 Analyse de vérification expérimentale
La conception du système de mesure de position est installé dans un tourne-disque électronique ferromagnétique pour éviter l'interférence, l'usinage d'une hauteur de 60 cm make bois support fixe, et bien calibré à zéro, est raccordé à la tige par l'intermédiaire d'un port série, une acquisition de données de capteurs, la Fig. Fig.
Le plateau tournant est entraîné en rotation par un niveau électronique, à chaque fois lors de l'utilisation d'un PC pour les données de position zéro ont été recueillies par le compas magnétique électronique et un filtrage des données descente de gradient avec un algorithme complémentaire fusion. Trouvé, sans l'utilisation d'algorithmes filtrage angle d'aéronef intensité mesurée du zéro magnétique erreur relative est grande, atteint environ ± 3 °, l'interférence extérieure magnétomètre sérieuse analyse comparative. Après filtration, les compositions de l'angle de lacet obtenus en éliminant partiellement le signal d'interférence, l'erreur peut être maintenu de manière stable à l'intérieur de ± 1,0 °.
Dans le test électronique rotation de la tourelle peut être considérée comme un test statique, afin de vérifier en outre la performance du système de mesure de position réelle pendant le vol à rotor multiples, le système est fixé sur le blindage du module de commande de vol d'PIX4, et est monté avec six giravion sur le support horizontal inférieur fixé à une extrémité des joints universels, les joints d'articulation, l'autre extrémité est fixée sur une table horizontale, comme représenté sur la Fig.
Giravion démarrage du moteur, l'aéronef sera maintenu à l'état de l'air de passage d'étranglement de vol stationnaire, actionner le gouvernail de l'avion et peut tourner en place. Ensuite, le numéro de série de la station de transmission 2.4G réception de données de cap du système de commande de vol et le magnétomètre sortant de mesure de position, un gyroscope, les données originales et les données après solveur combiné, et l'analyse de données en utilisant la MATLAB, comme représenté sur la Fig.
aéronefs La figure 6 est collecté en vol stationnaire données de rotation horizontal (en référence de commande de vol), dans lequel l'en-tête électronique de la boussole et les sorties IMU sont représentatives de la courbe d'erreur angle de cap magnétomètre et le traitement des données de gyroscope, filtre composite délivrer en sortie la courbe d'erreur d'angle de cap indique la position du résolveur et seconde descente de gradient d'ordre après affinement de la fusion algorithme complémentaire. Giravion pendant la vibration du cadre d'entraînement provoqué par le fonctionnement du moteur, le support de la répartition inégale du poids, les facteurs d'amortissement des problèmes de liaison mécanique, ce qui conduit à la position erreurs d'angle de l'horizontale dans un écart d'erreur statique nulle est relativement grande et la plaque tournante de fluctuation relativement mauvais, la combinaison après le processus de filtrage, l'erreur d'angle de cap est de ± 1,5 °, pour répondre aux besoins des petites données de cap giravions.
4 Conclusion
Rubrique information importante mesure de navigation aérienne sans pilote, il faut une grande précision. Sur un petit système de rotor d'UAV, les avantages d'utiliser l'IMU MEMS respectif et son compas magnétique électronique complémentaire, avec un dispositif de commande principal ARM à faible coût rubrique système de mesure, et un second filtre complémentaire algorithme de descente de gradient commande, triaxial gyroscope instrument, accéléromètre triaxial et magnétomètre triaxial après la fusion, la transformation de coordonnées et l'attitude du résolveur émettre en sortie la position de ce fait angle avec une plus grande précision. Les résultats montrent que: ledit cap résoud système de mesure, le problème du bruit et une estimation optimale bien sûr, et a été vérifié expérimentalement des plates-formes, erreur d'angle de l'aéronef est maintenue à ± 1,5 °, sans aide extérieure, les informations peut être de manière stable des données de pose précise la production, pour répondre aux exigences de faible coût de drones à voilure tournante est cap.
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