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      一種基于平方根容積卡爾曼濾波器的飛行器姿態(tài)估計(jì)方法

      文檔序號(hào):6235896閱讀:589來源:國知局
      一種基于平方根容積卡爾曼濾波器的飛行器姿態(tài)估計(jì)方法
      【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于平方根容積卡爾曼濾波器的飛行器姿態(tài)估計(jì)方法。本發(fā)明包括在計(jì)算時(shí)間更新時(shí),設(shè)置初始值及羅德里格斯參數(shù);計(jì)算容積點(diǎn)值;計(jì)算四元數(shù)誤差點(diǎn);計(jì)算四元數(shù)容積點(diǎn);計(jì)算迭代四元數(shù)及迭代四元數(shù)誤差;計(jì)算迭代容積點(diǎn);估計(jì)一步預(yù)測狀態(tài);估計(jì)平方根因子預(yù)測誤差協(xié)方差陣;計(jì)算測量更新中的容積點(diǎn);計(jì)算迭代容積點(diǎn)值;計(jì)算預(yù)測測量估計(jì);計(jì)算平方根因子新息協(xié)方差矩陣估計(jì);計(jì)算互協(xié)方差陣;卡爾曼增益;狀態(tài)更新估計(jì);計(jì)算估計(jì)誤差協(xié)方差陣及相應(yīng)的平方根因子;四元數(shù)更新;計(jì)算相應(yīng)的估計(jì)誤差歐拉角。本發(fā)明能夠提高對飛行器姿態(tài)的精確性與穩(wěn)定性。
      【專利說明】一種基于平方根容積卡爾曼濾波器的飛行器姿態(tài)估計(jì)方法

      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001] 本發(fā)明屬于非線性系統(tǒng)的飛行器姿態(tài)估計(jì)問題,特別涉及一種基于平方根容積卡 爾曼濾波器的飛行器姿態(tài)估計(jì)方法。

      【背景技術(shù)】
      [0002] 非線性濾波是信號(hào)處理、目標(biāo)跟蹤和控制領(lǐng)域方面的熱門話題之一,特別是,在卡 爾曼濾波框架下的非線性濾波研究仍是一個(gè)很火的問題,在近年來受到越來越多的關(guān)注和 研究。
      [0003] 眾所周知,姿態(tài)估計(jì)的本質(zhì)是典型的非線性濾波問題。傳統(tǒng)的非線性濾波器不能 直接用來處理大多情況下的飛行器姿態(tài)確定。這是因?yàn)榭捎玫淖藨B(tài)估計(jì)器需要非線性濾波 器能夠很好地結(jié)合實(shí)際的姿態(tài)估計(jì)背景。那就是,姿態(tài)估計(jì)原則必須要整合到非線性濾波 器的設(shè)計(jì)過程中。傳統(tǒng)的非線性濾波方法包括擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)和無跡卡爾曼濾波 器(UKF)。EKF是現(xiàn)在在非線性系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的方法。通過近似狀態(tài)分布為高斯隨 機(jī)變量,然后對其進(jìn)行一階泰勒展開來近似非線性函數(shù)。但不幸的是,這種線性化方法只能 得到低的估計(jì)精度,甚至?xí)斐晒烙?jì)器的不穩(wěn)定性。同時(shí),EKF需要計(jì)算雅克比矩陣,且計(jì)算 量會(huì)很大。為了克服EKF的線性化,無跡卡爾曼濾波器(UKF)是一個(gè)處理非線性濾波時(shí)更 為實(shí)用的方法。因?yàn)閁KF能夠直接使用非線性系統(tǒng)的模型從而取代使用EKF時(shí)的線性化, 同時(shí)也避免了對雅克比矩陣的計(jì)算。UKF是通過非線性無跡變換(UT)和最小采樣即sigma 點(diǎn)。這種策略使得UKF能夠明顯改善EKF的性能,盡管UKF已經(jīng)有很多的應(yīng)用,但它還是有 很多缺點(diǎn),尤其是在高維情況下。同時(shí)UKF計(jì)算過程中對于協(xié)方差矩陣并不能總是保證是 正定的。因此,UKF的使用仍然受到限制。


      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供了一種基于平方根容積卡爾曼濾波器的飛行器 姿態(tài)估計(jì)方法。
      [0005] 本發(fā)明的方法具體是:
      [0006] 1).設(shè)置初始值參數(shù),假設(shè)飛行器姿態(tài)帶有平方根因子估計(jì)誤差協(xié)方差S+和飛 行器姿態(tài)狀態(tài)估計(jì)夫。
      [0007] 2).設(shè)置姿態(tài)迭代

      【權(quán)利要求】
      1. 一種基于平方根容積卡爾曼濾波器的飛行器姿態(tài)估計(jì)方法,其特征在于該方法包括 以下步驟: 1) .設(shè)置初始值參數(shù),假設(shè)飛行器姿態(tài)帶有平方根因子估計(jì)誤差協(xié)方差S+和飛行器 姿態(tài)狀態(tài)估計(jì); 2) .設(shè)置姿態(tài)迭代
      其中k表示時(shí)間; 3) .計(jì)算第i次容積點(diǎn)參量
      ,其中表示i個(gè)數(shù),i = 1,2,..., m,表示k-Ι時(shí)刻飛行器姿態(tài)帶有平方根因子估計(jì)誤差協(xié)方差陣,ξ ,表示列向量序 列,表示k-Ι時(shí)刻飛行器姿態(tài)狀態(tài)估計(jì); 4) .計(jì)算飛行器姿態(tài)參數(shù)誤差點(diǎn)
      三個(gè)歐拉角,即飛行器姿態(tài)方位角,表示角度的余弦值; 5) .將計(jì)算得到的飛行器姿態(tài)參數(shù)誤差點(diǎn)帶入第i次四元數(shù)容積點(diǎn)
      為飛行器姿態(tài)參數(shù)估計(jì); 6) .迭代四元數(shù)預(yù)測估計(jì)
      及迭代四元數(shù)預(yù)測誤差
      為飛行器角度函數(shù); 7) .迭代容積點(diǎn).
      其中,f為標(biāo)量因子,a e [〇,1]; 8) .計(jì)算一步狀態(tài)預(yù)測估計(jì)、帶有平方根因子的預(yù)測誤差協(xié)方差
      為狀態(tài)估計(jì)的均方差,
      的平方根因子; 9) .將帶有平方根因子的預(yù)測誤差協(xié)方差及飛行器姿態(tài)k-Ι時(shí)刻的狀態(tài)預(yù)測估計(jì)值 毛η帶入測量更新容積點(diǎn)方程
      10) .測量更新中的迭代容積點(diǎn)
      11) .計(jì)算測量預(yù)測估計(jì)^_、平方根因子新息協(xié)方差陣SzUHiTriaaZkh SK, k])、互協(xié)方差陣
      、卡爾曼增益,其中,SK,k表 示為測量噪聲方差Rk的平方根因子;
      12) .從上面計(jì)算中得到狀態(tài)更新估計(jì)
      、平方根因子Sk|k、估 計(jì)誤差協(xié)方差陣
      13) .計(jì)算更新四元數(shù)估計(jì)4_、四元數(shù)估計(jì)誤差的 14) .判斷是k否小于迭代次數(shù)N,如果k小于N,則跳轉(zhuǎn)到步驟2, k : = k+Ι,否則,執(zhí)行 步驟15 ; 15) .計(jì)算中得到三個(gè)歐拉角度(飛行器的滾動(dòng)角,俯仰角和偏航角)的一致估計(jì)誤差 值
      16).輸出結(jié)果飛行器姿態(tài)方位角δ?Β#,實(shí)現(xiàn)對飛行器姿態(tài)的估計(jì)。
      【文檔編號(hào)】G01C21/20GK104121907SQ201410369663
      【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
      【發(fā)明者】葛泉波, 邵騰, 程天發(fā), 文成林 申請人:杭州電子科技大學(xué)
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