EKF与UKF在微型直升机姿态估计中的比较.pdfVIP

httpp :// EKF 与UKFF 在微型型直升机机姿态估估计中的的比较 李金金 哈尔滨滨工业大学深深圳研究生院院自动控制与与机电工程学科科部 深圳(5518055) E-maill：hit.li.jj@ 摘 要：本文针针对 SCEADUU-50 微型直升升机，推导其其姿态估计系系统方程，从从 IMU 和电电子罗 盘等等传感器获取取数据，在机载载单板机上应应用卡尔曼滤滤波算法进行行滤波。针对对姿态估计系系统的 非线线性，本文实实现了EKF 算算法和UKF 算算法，并对其其进行仿真和和实际飞行的的效果对比。。仿真 中UUKF 虽然在初初值偏差大时时收敛稍慢，，但其效果明明显优于EKFF 。实际飞行行中UKF 与EKF 收敛敛速度几乎相相同，效果差差别不大，没有有明显的优势势，但UKF 的计算速度度快于EKF。。 关键键词：直升机机，非线性，，卡尔曼滤波，，EKF ，UKKF ，姿态估计计 中图图分类号：V4448.22 1．引言 [1] 从卡尔曼滤滤波算法 出现现以来，它就就广泛应用在在各个领域。包括机器人人导航，控制制，传 感器器数据融合，雷达系统，导导弹追踪，以以及计算机图图像处理如人人脸识别等等等。传统上飞行器 的姿姿态估计多数数都用到了卡卡尔曼滤波器。 直升机的姿姿态估计是一一个非线性的过程。姿态估估计一般有欧欧拉角，四元元数，方向余余弦等 [2] 方法法 。考虑到微型直升机的的运动范围，，本文采取比比较简单的欧欧拉角法来实实现。 在非线性系系统中目前最最常用的是扩展卡尔曼滤波波算法（EKFF ）。它是对对非线性函数数进行 ，舍弃高阶 [3] 方法 泰勒勒展开，然后后只取一阶项 项项，从而将非非线性问题线线性化 。这这种线性化的 很直直观，不过在在泰勒展开式高阶项无法忽忽略时，线性性化会产生比比较大的误差差。另一种解决非 [4]] 线性性问题的算法法是九十年代代开始流行的UUnscented卡卡尔曼滤波算法法（UKF ） 。它以Unsceented 变换换为基础，计计算出一组采样样点及其对应应的权重，然然后对这一组组采样点进行行非线性计算算，再 [5] 对结结果进行加权权平均从而解解决非线性的问题 。 本文首先介介绍微型直升升机姿态估计系统的硬件组组成，接着介介绍姿态估计计原理，然后介绍 EKFF与UKF在算算法中的实现，并进行仿真真和实际的飞飞行实验，最最后对仿真的的实验结果和实际 飞行行的实验结果果进行分析比比较，得出结论。 2 ．系统组成成原理 2.1 硬件组成 本文中所用用的微型直升升机是HIROBBO SCEADUU-50 直升机，机机身全长11990mm ，高435mm ， 主旋旋翼直径1348mm ，采用OS MAX-50SX 发动机。直升机上装装有惯性测量量单元（IMUU ）， 电子子罗盘等传感感器，TS57000 单板机及其其辅助电路。姿态估计的的计算程序在在单板机上实现。 图1 中给出了基基本结构框图图。姿态估计中需要IMUU 输出的角速速度信号和电电子罗盘输出的角 度信信号。 角速度 IMU 控制制输出 TS57000 角度 罗盘