[發明專利]一種小型無人機姿態確定系統與確定方法

無效

• 申請號: 201310748375.1
• 申請日: 2013-12-31
• 公開（公告）號: CN103712598A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 張愛華;霍明夷;霍星
• 申請（專利權）人: 渤海大學;哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00
• 代理公司: 錦州遼西專利事務所 21225
• 代理人: 葛春波;李輝

1.一種小型無人機姿態確定系統與方法，其特征在于其包括：

角角速率陀螺芯片，用于測量無人機的滾動、俯仰與偏航角速率；

三軸電子羅盤芯片，用于測量無人機飛行時的航跡方位角即偏航角；

三軸加速度計芯片量重力在無人機本體坐標軸的分量；

微控器芯片，分別通過I²C總線與角速率陀螺芯片、三軸電子羅盤芯片和三軸加速度計芯片連接，用于采集上述傳感器的測量數據，并根據采集數據姿態確定方法確定無人機實時姿態。

2.根據權利要求1所述的一種小型無人機姿態確定系統與方法，其特征在于所述姿態確定方法包括以下步驟：

步驟一、采用歐拉角321坐標系旋轉建立無人機本體坐標系與參考慣性坐標系之間的無人機姿態，并建立兩坐標系之間的初始方向余弦矩陣????????????????????????????????????????????????；

步驟二、更新姿態方向余弦矩陣

根據修正的三軸角速度值，步驟一中建立的初始方向余弦值，微控器芯片采樣時間，以及時刻的方向余弦信息，計算時刻的方向余弦矩陣為：

當時，修正的三軸角速度直接采用三軸角速率陀螺芯片測量的角速率值；

步驟三、標準化方向余弦矩陣

根據方向余弦陣的第一列、第二列與第三列，標準化方向余弦陣為，

式中

其中“”表示向量叉乘運算，且；

步驟四、根據三軸角速率陀螺芯片測量的無人機角速度以及比例積分反饋輸出修正項，計算無人機修正的三軸角速度為：

；

步驟五、根據步驟三獲得的標準化后的方向余弦矩陣，計算無人機姿態滾動、俯仰與偏航角分別為：

其中分別表示方向余弦矩陣的第第的元素。

3.根據權利要求2所述的一種小型無人機姿態確定方法，其特征在于步驟一中初始方向余弦矩陣的建立過程為：

步驟a、設定無人機初始的滾動與俯仰姿態角均為零度，即與，根據電子羅盤芯片輸出的三軸測量值，計算該測量值在無人機本體系x_b與y_b軸的投影分別為、；

步驟b、根據步驟a獲得的與值計算初始偏航角的正余弦值分別為，；

步驟c、根據步驟a與步驟b的姿態角以及歐拉角321坐標系旋轉，建立無人機初始方向余弦矩陣為：

。

4.根據權利要求2所述的一種小型無人機姿態確定方法，其特征在于步驟四中獲得比例積分反饋輸出修正項為：

，

其中與分別為比例、積分因子，當時，為檢測出的角速。

5.根據權利要求4所述的一種小型無人機姿態確定方法，其特征在于計算角速率陀螺總的偏移值為：

其中表示偏航軸上的角速率陀螺偏移值，表示滾動與俯仰軸上的角速率陀螺偏移值。

6.根據權利要求5所述的一種小型無人機姿態確定系統與方法，其特征在于偏航軸上的角速率陀螺偏移的計算過程為：

。

7.根據權利要求5所述的一種小型無人機姿態確定方法，其特征在于滾動與俯仰軸上的角速率陀螺偏移的計算過程為：

其中為三軸加速度計芯片的測量值。