適用于無人機(jī)的基于卡爾曼濾波器姿態(tài)確定的低成本慣性測量單元的開發(fā)PPT課件

1、目錄1234引言IMU概念設(shè)計(jì)硬件實(shí)施在QUANSER平臺的2自由度測試56大型直升機(jī)的3自由度測試結(jié)論第1頁/共21頁摘要 這篇文章主要介紹了適用于無人機(jī)姿態(tài)確定的慣性測量單元（IMU）的開發(fā)。 低成本、高性能解決方案 多路復(fù)用同步采樣 姿態(tài)決定的傳感器融合算法是基于卡爾曼濾波器的 測試過程一，把IMU安裝在2自由度直升機(jī)平臺上，并把其結(jié)果與俯仰和偏航編碼器獲取的數(shù)據(jù)相比較； 測試過程二，把IMU安裝在T-REX450型直升機(jī)上實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在運(yùn)動分析實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的 通過這些測試，表明最大的均方根誤差（RMS error）只有4第2頁/共21頁前言 許多無人機(jī)項(xiàng)目都有一個共同的出發(fā)點(diǎn)，他們都開始

2、于一個遙控裝置，然后把它轉(zhuǎn)變成一個自治平臺，他們需要面對的挑戰(zhàn)就是IMU的開發(fā)。因?yàn)镮MU為其提供機(jī)身的傾斜和方向（至關(guān)重要） MEMS技術(shù)在慣性傳感器（加速度計(jì)和陀螺儀）中的應(yīng)用使得低重量，低成本的IMU得以發(fā)展。 前人的研究已經(jīng)展現(xiàn)了IMU的軟件和硬件的開發(fā)，作者的貢獻(xiàn)在于使用商業(yè)上現(xiàn)有的組件為UAV設(shè)計(jì)的低成本產(chǎn)品（IMU）。 測試實(shí)驗(yàn)是在真實(shí)無人機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行的；姿態(tài)確定算法是基于卡爾曼濾波器 模塊化、抗鋸齒、低重量、快速動態(tài)響應(yīng)和同步采樣是設(shè)計(jì)中主要考慮因素 硬件的執(zhí)行（第三部分） 2自由度直升機(jī)平臺和一個大型直升機(jī)在運(yùn)動分析實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)（第四和第五部分）第3頁/共21頁IMU的概念

3、設(shè)計(jì) 捷聯(lián)式（strapdown）IMU 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航是把慣性測量元件（主要是陀螺儀和加速度計(jì)）直接裝在飛行器上，用計(jì)算機(jī)把測量信號變換為導(dǎo)航參數(shù)的技術(shù)。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的產(chǎn)生有賴于現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展。 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作時不依賴外界信息，不易受到干擾破壞，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。相對于平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，捷聯(lián)式省去了慣性平臺，系統(tǒng)體積和重量大為減小，維護(hù)起來也比較方便。但由于陀螺儀和加速度計(jì)直接承受飛機(jī)的振動、沖擊和角運(yùn)動，因而會產(chǎn)生動態(tài)誤差。這就對陀螺儀和加速度計(jì)提出更高的要求。儀器測出信號后，要通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算，才能得出所需要的導(dǎo)航參數(shù)。第4頁/共21頁 UAV應(yīng)用的環(huán)境

4、通常代表了快速動態(tài)響應(yīng)，由推進(jìn)引擎而產(chǎn)生的振動，各方面的震蕩和6自由度同時運(yùn)動，這對捷聯(lián)式IMU來說都是挑戰(zhàn)性的。接下來的設(shè)計(jì)會抵消這些問題并提高了IMU在復(fù)合類型UAV的表現(xiàn)。第5頁/共21頁A模塊性&B電壓緩沖 設(shè)備被分為兩個面板：一個傳感器面板和處理面板，這種模塊化設(shè)計(jì)允許在沒有沒有大的改變下，處理器面板搭配不同的傳感器。取決于特定UAV的類型，某些傳感器可能比另外一些表現(xiàn)更好。 電壓緩沖主要目的是保證傳感器面板和處理面板沒有電荷效應(yīng)第6頁/共21頁C抗鋸齒濾波器&D同步采樣 在決定陀螺儀和加速度信號的主要頻率分量方面，研究人員進(jìn)行了研究，雖然抗鋸齒總是重要的，但結(jié)果表明

5、，在避免姿態(tài)確定中的高振動干擾方面，濾波也是信號調(diào)節(jié)的一個重要部分。 低成本IMU典型采用多路復(fù)用采樣 導(dǎo)致正交性的丟失和因此帶來失調(diào)的結(jié)果 本設(shè)計(jì)理念是每個獲取通道都使用ADC來實(shí)施同步采樣，同時微處理器負(fù)責(zé)ADC的同步和數(shù)據(jù)通信。這要求ADC微控制系統(tǒng)能夠在下一次同步獲取值之前處理所有的數(shù)據(jù)。第7頁/共21頁E微控制器&F無線通信 如果姿態(tài)確定算法由地面計(jì)算機(jī)來處理，那么微控制器只需要負(fù)責(zé)同步采樣和無線通信的協(xié)調(diào)。如果姿態(tài)估計(jì)是機(jī)載處理情況下，微控制器會接受到更多的處理任務(wù)。 PARALLAX公司的Propeller微控制器，具有8核（稱之為cog），這些cogs對同步處理來說是一

6、大優(yōu)勢 我們測試了Xbee和藍(lán)牙通信系統(tǒng)。經(jīng)驗(yàn)表明Xbee在達(dá)到一定傳輸速率的門檻之后會丟包而藍(lán)牙則不會，然而，就距離來說。Xbee有更好的表現(xiàn)，當(dāng)然，最合適的方法取決于無人機(jī)的類型第8頁/共21頁硬件實(shí)施處理器面板第9頁/共21頁傳感器面板T1 120/sec 1.5gT2 500/sec6g第10頁/共21頁傳感器校準(zhǔn)放大系數(shù)電壓偏差第11頁/共21頁均方根誤差最優(yōu)化第12頁/共21頁第一代原型的重量 這個原型的重量只有120g 下一代將少于40g，使用表面貼裝組件(surface mounted components，SMC)會使其物理尺寸減少70%第13頁/共21頁Quanser平臺2自由度的測試第14頁/共21頁第15頁/共21頁第16頁/共21頁大型直升機(jī)的3自由度測試第17頁/共21頁第18頁/共21頁結(jié)論 這篇文章主要展現(xiàn)了為UAV應(yīng)用設(shè)計(jì)的低成本IMU 設(shè)計(jì)思想基于模塊化、抗鋸齒處理、低重量、同步采樣（以避免慣性測量的正交性丟失）IMU在姿態(tài)確定中的表現(xiàn)通過兩個實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：（一）與2自由度直升機(jī)平臺編碼器測量結(jié)果對比（二）與運(yùn)動分析實(shí)驗(yàn)室中紅外攝探頭測量結(jié)果對