[发明专利]一种基于多GPS接收机的无人机姿态追踪方法及系统

说明书

本发明提出了一种基于多GPS接收机的无人机姿态追踪方法，首先，确定各个GPS接收机在ENU坐标系下的初始化位置；当无人机在飞行过程中姿态发生变化时，采用RTK定位的方法，实时计算各个GPS接收机在ECEF坐标系下的坐标位置；然后，将各GPS接收机在ECEF坐标系下的位置转化为ENU坐标系下的位置信息；最后，将得到的位置信息与初始化位置进行比较、计算，得出GPS接收机在ENU坐标系下绕各个轴向旋转的角度。本发明还提出一种的无人机姿态追踪系统。本发明通过比较当前位置姿态与初始位置姿态，能够直接得到角度的变化量，计算结果更加准确，实现无人机姿态的精确追踪。

技术领域

本发明涉及一种无人机姿态追踪方法及系统，属于无人机技术研究领域。

背景技术

随着科技的进步，近几年无人机技术得到了飞速的发展，而惯性测量单元IMU是无人机技术当中重要的一环，它能够测量出无人机三轴姿态角以及加速度的装置。陀螺仪是IMU的主要元件之一，其精度直接影响到惯性系统的精度。

为何陀螺仪会成为无人机姿态导航的首选传感器呢？陀螺仪是利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一轴或多轴的角运动检测装置。它可感测一轴或多轴的旋转角度，可精准感测自由空间中的复杂移动动作，因此，陀螺仪成为追踪物体移动方位与旋转动作的必要运动传感器，如手机、可穿戴设备、潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等。

然而，像潜艇、飞机、导弹和航天器等工业级别的设备上，大多采用工业级别的、精度更高的陀螺仪，比如说光纤陀螺仪、环形激光陀螺仪、工业级MEMS陀螺仪，而面对消费级无人机，大多采用普通的陀螺仪。在无人机实际的飞行过程中，普通的陀螺仪容易受各种不可避免的因素干扰，比如外界温度、瞬间大电流、电机电磁干扰等，而导致陀螺仪产生误差，从初始对准开始，其导航误差就随时间而增长，会导致IMU中陀螺仪的精度下降甚至失效，这是惯导系统的主要缺点。尤其是姿态位置误差对无人机来说往往都是致命的，会直接导致无人机炸机。

针对以上的问题，最好的解决办法是利用外部信息进行辅助，实现组合导航，使其有效地减小误差。目前各大无人机厂商大多采用冗余设计来解决，即在飞控上搭载多组IMU。欧洲的3DRobotics公司的pixhawk飞控上搭载了两组IMU；国内CUAV雷迅科技的pixhawk 2,4x飞控上搭载了两组IMU，pixhawkv3飞控上搭载了三组IMU；国内大疆的精灵4的飞控上搭载了两组IMU，A3pro飞控上搭载了三组IMU。飞控系统采用软件算法对各组IMU数据进行判断，当一组IMU数据出现异常时，飞控系统立即切换至另外一组IMU上，以保障无人机可靠的、稳定的飞行。

IMU的冗余设计在一定程度上保障了无人机的正常飞行，但是多组IMU的设计一方面增加了硬件的开销，另一方面增加了软件设计的复杂度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对无人机飞行过程中，由于温度、电流、磁场等因素的影响所带来的惯性测量单元IMU精度低甚至失效的问题，提供了一种无人机姿态追踪的方法及系统，解决无人机内部惯性测量单元IMU受到外部干扰后精度降低或失效的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于多GPS接收机的无人机姿态追踪方法，包括如下步骤：

S1、在无人机的机臂上，以每个机臂为单位分别安装GPS接收机，并以其中一个GPS接收机为原点，建立ENU坐标系；

S2、将无人机水平放置，确定各个GPS接收机在ENU坐标系下的初始化位置；

S3、当无人机在飞行过程中姿态发生变化时，实时计算出各个GPS接收机在ECEF坐标系下的坐标位置；

S4、将步骤S3中得到的各个GPS接收机在ECEF坐标系下的坐标位置，转化为各个GPS接收机在ENU坐标系下的位置信息；