[发明专利]利用地磁信息和光流传感器解算飞行器姿态的方法

说明书

本发明提供了一种利用地磁信息、GPS接收机和光流传感器解算飞行器姿态的方法，该方法通过采用自适应最小二乘滤波法，通过以磁阻传感器、GPS接收机和光流传感器的测量误差为权重，对测量噪声协方差矩阵进行调整，所述测量噪声协方差矩阵根据飞行器纵轴与地磁矢量的夹角变化确定,以实现对飞行器滚转角的最优估计。该方法通过地磁信息、GPS接收机和光流传感器配合使用，可以消除飞行器测量盲区的影响。

技术领域

本发明涉及一种利用地磁信息、GPS接收机和光流传感器解算飞行体姿态的方法，特别涉及一种利用地磁信息、GPS接收机和光流传感器解算飞行体滚转角的空间盲区及固有偏差的方法。

背景技术

随着微电子技术的发展，磁传感器已广泛应用于磁场的检测与测量中。其中，磁阻传感器由于其尺寸小、灵敏度高、线性度优良、迟滞误差和零点温度漂移可矫正等特点，常应用于飞行体特别是小型无人机滚转姿态角解算系统中。由于无人机的飞行速度高、运动自由大，姿态角尤其是滚转角的解算精度直接影响到了无人机的飞行稳定性和飞行轨迹的准确性。在实际应用中发现，当无人机机体轴向靠近磁北向附近时，滚转姿态解算会出现较大误差，无法满足无人机多自由度全向飞行的要求。

该类误差主要是由于三轴磁阻传感器的其中一个敏感轴与无人机的机体轴固连，另外两轴与机体轴正交。当无人机的机体轴(x轴)靠近磁北向时，与机体轴垂直截面(Oyz面)上地磁场分量较小，导致y轴和z轴上磁阻传感器的测量值过于微弱，输出信号信噪比太低，从而导致滚转姿态解算存在误差。本领域人员普遍认为，可以通过提高传感器的测量精度和提升传感器输出信号的信噪比来减小甚至消除此误差。

然而，本发明人通过基于磁阻传感器的机体姿态测量技术，理论推导出了依靠磁阻传感器信息解算无人机滚转角的算法，发现了滚转角误差的主要来源，不仅与磁阻传感器的测量误差有关，还与无人机的俯仰角和偏航角的测量误差有关。即使磁阻传感器的测量精度达到理想的状态，当机体轴与磁北向夹角较小时，因俯仰角和偏航角的测量存在误差，也会导致滚转角的解算误差在一定程度上趋于发散。

本发明人发现，仅使用地磁传感器测量飞行体，特别是低速低空四旋翼无人机的滚转角时，会出现测量盲区

为了解决现有技术中的上述问题，本发明人提供了一种利用地磁信息、GPS接收机和光流传感器解算飞行体姿态的方法，滚转姿态角更精确的解算，同时避免仅使用地磁传感器测量滚转角带来的盲区，实现无人机多自由度全向飞行。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：通过地磁信息、GPS接收机和光流传感器配合使用，采用自适应最小二乘滤波法，可以消除测量盲区的影响，从而完成了本发明。

本发明的目的在于提供以下方面：

第一方面，本发明提供一种利用地磁信息和光流传感器解算飞行器姿态的方法，所述方法中还包括GPS接收机，通过以磁阻传感器、GPS接收机和光流传感器的测量误差为权重，对测量噪声协方差矩阵进行调整。

该方法通过采用自适应最小二乘滤波法，所述测量噪声协方差矩阵根据飞行器纵轴与地磁矢量的夹角变化确定。

其中，所述GPS接收机和光流传感器每一时刻的测量值解算出的滚转角γ_A由以下式Ⅱ给出：

其中，t为测量时的时间；以飞行器特别是无人机起飞时刻为初始时间t₀；

ω_x为飞行器特别是无人机的滚转角速度；

进一步地，

其中，飞行器的飞行高度为h；光流传感器与GPS接收机测速差值在垂直飞行器纵轴特别是垂直无人机纵轴方向分量为ΔV。