基于梯度下降法的四旋翼無人機姿態估計系統

劉青文， 郭劍東， 浦黃忠， 甄子洋

(南京航空航天大學,a.自動化學院; b.無人機研究院，南京 210001)

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近年來，隨著無人機市場的火熱，四旋翼無人機由于體積小、結構簡單、操縱方便等優點吸引著越來越多科研人員的關注[1]。無人機姿態解算是實現其自主飛行的前提條件，直接決定著無人機飛行的穩定性與位置的精確性[2]，因此姿態解算是無人機研究的熱點領域。得益于微機電系統(MEMS)的飛速發展[3]，四旋翼無人機的姿態解算系統普遍采用低成本、重量輕，便于集成、攜帶的航姿參考系統(AHRS)，它主要由三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁羅盤組成，既可以應用于小型無人機[4]，又可以應用于車輛自主駕駛[5]。然而傳感器本身具有嚴重的時變漂移[6]，陀螺儀瞬態性能良好，但會隨著時間累積誤差，加速度計雖沒有積分誤差，但處于高動態時[4]，會受到附加平動或轉動加速度干擾，磁羅盤易受到周圍環境磁場的干擾，因此，單獨采用陀螺儀或者加速度計和磁羅盤都無法獨立給出精度高的姿態估計[7]，所以需要采用適當的姿態解算算法對傳感器數據進行誤差補償。

目前對姿態解算系統的研究常用的算法有卡爾曼濾波、互補濾波、梯度下降法等[6]。卡爾曼濾波應用比較廣泛，但建立穩定可靠的姿態方程、確定合適的量測噪聲以及過程噪聲協方差矩陣都比較困難[3];互補濾波由于對無人機姿態估計需要重構的缺陷，且其精度低，姿態漂移嚴重，不適用于動態環境[8-9];本文設計了一種以STM32F427為主控制器，MPU6000和LSM303D為姿態傳感器的姿態估計系統。……