适用于无人机的基于卡尔曼滤波器姿态确定的低成本惯性测量单元的开发PPT课件

1、目录1234引言IMU概念设计硬件实施在QUANSER平台的2自由度测试56大型直升机的3自由度测试结论第1页/共21页摘要 这篇文章主要介绍了适用于无人机姿态确定的惯性测量单元（IMU）的开发。 低成本、高性能解决方案 多路复用同步采样 姿态决定的传感器融合算法是基于卡尔曼滤波器的 测试过程一，把IMU安装在2自由度直升机平台上，并把其结果与俯仰和偏航编码器获取的数据相比较； 测试过程二，把IMU安装在T-REX450型直升机上实验，实验在运动分析实验室中进行的 通过这些测试，表明最大的均方根误差（RMS error）只有4第2页/共21页前言 许多无人机项目都有一个共同的出发点，他们都开始

2、于一个遥控装置，然后把它转变成一个自治平台，他们需要面对的挑战就是IMU的开发。因为IMU为其提供机身的倾斜和方向（至关重要） MEMS技术在惯性传感器（加速度计和陀螺仪）中的应用使得低重量，低成本的IMU得以发展。 前人的研究已经展现了IMU的软件和硬件的开发，作者的贡献在于使用商业上现有的组件为UAV设计的低成本产品（IMU）。 测试实验是在真实无人机状态下进行的；姿态确定算法是基于卡尔曼滤波器 模块化、抗锯齿、低重量、快速动态响应和同步采样是设计中主要考虑因素 硬件的执行（第三部分） 2自由度直升机平台和一个大型直升机在运动分析实验室中的实验（第四和第五部分）第3页/共21页IMU的概念

3、设计 捷联式（strapdown）IMU 捷联式惯性导航是把惯性测量元件（主要是陀螺仪和加速度计）直接装在飞行器上，用计算机把测量信号变换为导航参数的技术。捷联式惯性导航系统的产生有赖于现代电子计算机技术的迅速发展。 捷联式惯性导航系统工作时不依赖外界信息，不易受到干扰破坏，是一种自主式导航系统。相对于平台式惯性导航系统，捷联式省去了惯性平台，系统体积和重量大为减小，维护起来也比较方便。但由于陀螺仪和加速度计直接承受飞机的振动、冲击和角运动，因而会产生动态误差。这就对陀螺仪和加速度计提出更高的要求。仪器测出信号后，要通过计算机的计算，才能得出所需要的导航参数。第4页/共21页 UAV应用的环境

4、通常代表了快速动态响应，由推进引擎而产生的振动，各方面的震荡和6自由度同时运动，这对捷联式IMU来说都是挑战性的。接下来的设计会抵消这些问题并提高了IMU在复合类型UAV的表现。第5页/共21页A模块性&B电压缓冲 设备被分为两个面板：一个传感器面板和处理面板，这种模块化设计允许在没有没有大的改变下，处理器面板搭配不同的传感器。取决于特定UAV的类型，某些传感器可能比另外一些表现更好。 电压缓冲主要目的是保证传感器面板和处理面板没有电荷效应第6页/共21页C抗锯齿滤波器&D同步采样 在决定陀螺仪和加速度信号的主要频率分量方面，研究人员进行了研究，虽然抗锯齿总是重要的，但结果表明

5、，在避免姿态确定中的高振动干扰方面，滤波也是信号调节的一个重要部分。 低成本IMU典型采用多路复用采样 导致正交性的丢失和因此带来失调的结果 本设计理念是每个获取通道都使用ADC来实施同步采样，同时微处理器负责ADC的同步和数据通信。这要求ADC微控制系统能够在下一次同步获取值之前处理所有的数据。第7页/共21页E微控制器&F无线通信 如果姿态确定算法由地面计算机来处理，那么微控制器只需要负责同步采样和无线通信的协调。如果姿态估计是机载处理情况下，微控制器会接受到更多的处理任务。 PARALLAX公司的Propeller微控制器，具有8核（称之为cog），这些cogs对同步处理来说是一

6、大优势 我们测试了Xbee和蓝牙通信系统。经验表明Xbee在达到一定传输速率的门槛之后会丢包而蓝牙则不会，然而，就距离来说。Xbee有更好的表现，当然，最合适的方法取决于无人机的类型第8页/共21页硬件实施处理器面板第9页/共21页传感器面板T1 120/sec 1.5gT2 500/sec6g第10页/共21页传感器校准放大系数电压偏差第11页/共21页均方根误差最优化第12页/共21页第一代原型的重量 这个原型的重量只有120g 下一代将少于40g，使用表面贴装组件(surface mounted components，SMC)会使其物理尺寸减少70%第13页/共21页Quanser平台2自由度的测试第14页/共21页第15页/共21页第16页/共21页大型直升机的3自由度测试第17页/共21页第18页/共21页结论 这篇文章主要展现了为UAV应用设计的低成本IMU 设计思想基于模块化、抗锯齿处理、低重量、同步采样（以避免惯性测量的正交性丢失）IMU在姿态确定中的表现通过两个实验验证：（一）与2自由度直升机平台编码器测量结果对比（二）与运动分析实验室中红外摄探头测量结果对