[发明专利]基于UKF的无人机气压计异常数据处理的高度控制方法

说明书

本发明涉及无人机领域，具体涉及一种基于UKF的无人机气压计异常数据处理的高度控制方法，利用加速度计的Z方向的加速度信息以及加速度计和气压计第一次UKF滤波出来的速度后对其差分得到的加速度信息做差,利用差值来量化气流扰动对气压计的影响,具体包括带加速度计和气压计的飞行器，气压计通过降噪处理获得高度信息，后经第一次UKF滤波，第一次UKF滤波后更新气压计数据，更新后进行第二次UKF滤波。本发明基于UKF的滤波算法，对气压计的高度异常数据进行判断并对野值进行剔除，解决了飞行器在地面效应下难以着陆和飞行中的急刹掉高问题，提高了飞机的高度飞行控制效果，大大提升用户的飞行体验。

技术领域

本发明涉及无人机领域，具体涉及一种基于UKF的无人机气压计异常数据处理的高度控制方法。

背景技术

飞行器想要稳定飞行，需要15个状态量：三维角度，三维角度对应的三维速度、三维加速度、三维角速度，三维位置。而这些状态量的获取大都是通过多传感器数据滤波得到。常用的传感器的测量如下：

而在实际中，光流/GPS/双目视觉等方法都对环境有特定的要求，如光流在地面纹理相似或草地上会失效；GPS在室内会失效；双目视觉在光照条件差时会失效。而惯性测量单元IMU和气压计基本在绝大部分场景都可以使用，但气压计存在当无人飞行器在地面效应或急速刹车时高度数据异常的情况，导致飞机难以降落和急刹掉高的现象。

发明内容

本发明针对在只有IMU模块(加速度计)和气压计有效的情况下，飞行器在起飞着陆时的地面效应问题和飞行过程中的急刹掉高现象，对气压计异常数据进行相应处理。本文基于UKF的滤波算法，对气压计的高度异常数据进行判断并对野值进行剔除，解决了飞行器在地面效应下难以着陆和飞行中的急刹掉高问题，提高了飞机的高度飞行控制效果，大大提升用户的飞行体验。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种基于UKF的无人机气压计异常数据处理的高度控制方法，利用加速度计的Z方向的加速度信息以及加速度计和气压计第一次UKF滤波出来的速度后对其差分得到的加速度信息做差,利用差值来量化气流扰动对气压计的影响,具体包括带加速度计和气压计的飞行器，加速度计通过降噪处理获得加速度信息，气压计通过降噪处理获得高度信息，后经第一次UKF滤波，第一次UKF滤波后更新气压计数据，更新后进行第二次UKF滤波，第二次UKF滤波后将第二次滤波位置信息以及第二次滤波速度信息传递给飞控位置控制模块。

具体步骤如下：

步骤一、构建无人机高度方向的系统方程和量测方程：

在只考虑气压计(Barometer)和加速度计(Accelerometer)的情况下，构造无人机高度方向的系统方程和量测方程为：

系统方程：

量测方程：

式中，h_k、ve_k、acc_bias_k分别为k时刻Z方向的位置、速度和加速度偏移量；Ts为时间步长；为加速度计经旋转矩阵后得到的NED坐标系下Z方向的加速度；Z_k为k时刻气压计的高度数据，在实际使用中由于气压计数据噪声太大，会首先对其进行一阶低通滤波处理；W_k-1、V_k分别为为系统方程和量测方程的协方差矩阵，在实际使用过程中会通过调节协方差矩阵的大小来使得滤波出来的结果跟随气压计的特性；

步骤二、第一次UKF滤波：

对于离散时间非线性系统：