基于互補(bǔ)濾波器的四旋翼飛行器姿態(tài)解算

　　針對(duì)小型四旋翼飛行器姿態(tài)解算這一基本問題，詳細(xì)分析了姿態(tài)解算的過程，提出了其中的難點(diǎn)問題。應(yīng)用低成本捷聯(lián)慣性測(cè)量單元，設(shè)計(jì)了一種基于互補(bǔ)濾波器算法的姿態(tài)求解器。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明： 與目前常用的卡爾曼濾波算法相比，采用互補(bǔ)濾波器算法的求解器能顯著降低對(duì)處理器速度和精度的要求，有效融合了捷聯(lián)慣性測(cè)量單元的傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了小型四旋翼飛行器的高精度姿態(tài)解算。

　　小型四旋翼飛行器由于具有廣闊的軍事和民用前景，使其成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其中，姿態(tài)解算是此類四旋翼飛行器研究的關(guān)鍵問題之一。姿態(tài)解算的精度和速度將直接影響飛行控制算法的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)現(xiàn)的難易程度，所以，姿態(tài)解算是飛行控制實(shí)現(xiàn)的前提。隨著 MEMS 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型飛行器姿態(tài)的測(cè)量普遍采用低成本的捷聯(lián)慣性測(cè)量單元（ inertial measurement unit， IMU） ，其主要由低成本陀螺儀、加速度傳感器和電子羅盤組成。MEMS 陀螺儀具有溫度漂移特性，加速度傳感器會(huì)受到飛行器飛行過程中機(jī)體振動(dòng)的影響，同時(shí)電子羅盤是一種磁阻傳感器，容易受到外部磁場(chǎng)的干擾。因此，如何融合 IMU 多傳感器的數(shù)據(jù)，濾除外部干擾，得到高可靠性、高精度的姿態(tài)數(shù)據(jù)，是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的工作。

　　擴(kuò)展卡爾曼濾波器算法是一種高精度的在飛行器中應(yīng)用非常廣泛的姿態(tài)解算算法，但是為其建立穩(wěn)定可靠的更新方程是比較困難的，而且其計(jì)算量很大，對(duì)處理器的運(yùn)算速度和精度要求很高，不適合應(yīng)用于小型四旋翼飛行器的嵌入式微控制器（ MCU） 中。互補(bǔ)濾波器算法簡(jiǎn)單可靠，對(duì)慣性器件的精度要求較低，在飛行器姿態(tài)解算中的應(yīng)用愈加廣泛。因此，本文設(shè)計(jì)了基于互補(bǔ)濾波器算法的四旋翼飛行器的姿態(tài)求解器，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地輸出高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)，滿足了四旋翼飛行器飛行控制的要求。
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