单陀螺多加速度计惯性测量系统在四旋翼平台的应用

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传统的捷联惯性测量系统,均采用陀螺仪和加速度计分别测量运载体的角运动和线运动信息。而无陀螺捷联惯性测量系统舍弃了陀螺,具有传统惯性测量系统一部分优点的同时,还具有成本低、功耗小、动态范围大的优势,因此得到了国内外一些学者的关注。但对于无陀螺系统来说,想要通过优化算法得到高精度角速度信息,需要大大增加加速度计的数量,进而增加系统的成本负担,角速度符号的确定也是一个困难的问题。因此,使用多个加速度计对单个三轴陀螺进行辅助的“单陀螺多加速度计系统”便应运而生,加速度计阵列与三轴陀螺仪互补进行角速度、角加速度的解算,使系统误差的发散得到较好的抑制,同时不需要增加较多的加速度计,因此其工程实用价值大大提高。针对当前传统四旋翼平台存在的问题,诸如高精度角加速度无法获取,外界干扰、运动幅度较大时测量精度偏低,带宽不足而产生相位延迟等问题,本文设计了单陀螺多加速度计惯性测量系统,经过系统模型的建立、扩展卡尔曼滤波器设计、Simulink软件仿真、多加速度计组合标定以及飞行实验,验证了加速度计阵列的加入对于传统的单陀螺系统精度的提高,实现了互补。并且依据多加速度计阵列模型方程中存在的等式约束条件,设计了带约束的滤波器及新息噪声自适应滤波器,进一步提升了滤波器的解算精度。尤其是通过加速度计阵列,原本较难获取的高精度角加速度信息将变得容易获得,这对整个四旋翼系统的控制、辨识等方面都有着重要意义。
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