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基于四元数互补滤波的无人机姿态解算
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基于四元数互补滤波的无人机姿态解算
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2
Vol. 38 No. 2
Mar. 2014
第
卷 第
期
燕山大学学报
2014
3
Journal of Yanshan University
年
月
1007-791X (2014) 02-0175-06
文章编号：
基于四元数互补滤波的无人机姿态解算
吕印新 1，肖前贵 2, *，胡寿松 1
1.
（
210016 2. 210016
； 南京航空航天大学 无人机研究院，江苏 南京 ）
南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京
摘
要：针对无人机低成本姿态解算这一基本问题，考虑到传统姿态算法运算量大、不易调试，采用微惯性单
MEMS
元（
）测量无人机原始姿态数据，采用基于四元数的互补滤波算法，有效降低姿态解算的运算量，实现
各传感器的信息融合。从理论上证明了基于四元数的互补滤波器的稳定性，分析了滤波器的性能。采用
MEMS
1°
2°
无人机真实数据验证了算法的有效性，解算得到的俯仰角、滚转角精度小于 ，航向角精度小于 。与传统姿
态算法比较，本算法简单有效、运算量小、易于调试。
关键词：姿态；四元数；互补滤波 ；稳定性分析
V243.5
A
DOI 10.3969/j.issn.1007-791X.2014.02.015
：
中图分类号：
文献标识码：
EKF
EKF
3 1
存在 大缺陷： ）在一般
算法。然而
情况下计算雅可比矩阵是不容易实现的过程，而且
2)
0
引言
其计算量很大； 当线性化假设不成立时，线性
微小型无人机具有成本低、隐蔽性好、生存能
3)
化会导致滤波器极度不稳定； 实际应用中，噪
力强等特点，近年来无论是在军事领域还是在科学
研究、生态保护、经济建设等民用领域得到越来越
多的应用。姿态测量是无人机实现姿态控制的前
提，是导航系统不可分割的一个重要组成部分，直
接影响无人机的生存能力。随着微机械惯性技术的
发展，利用微机械陀螺、加速度计以及磁力计
声难以符合白噪声的要求 [2-3]。文献
利用粒
[4-5]
子滤波解决了系统非线性、非白噪声对姿态解算的
影响，然而此方法计算量较大，不 适 合低成本航姿
系统的应用。互补滤波器算法简单可靠，对惯性器
件的精度要求较低，在 飞行器姿态解算中的应用愈
[6-7]
加广泛。文献
矩阵形式下的互补滤波，然而在飞行器存在运动加
[8]
分别给出了欧拉角、方向余弦
MARG
）构造微小型低成本航姿系统已成为近年
（
来的研究热点之一。
速度的时候，姿态解算的误差较大。文献
利
无人机姿态可通过三轴陀螺积分获得，陀螺具
有较好的动态响应特性，短期内精度较高，但用于
姿态解算时候会产生累计误差最终导致姿态发散；
加速度计可用于无人机的倾角测量，但它同时对重
力加速度和运动加速度敏感，载体做长时间机动运
动时上述姿态测量系统会产生较大的测量误差。因
用空速计对加速度计进行补偿以得到真实的重力
信息。然而空速计本身精度有限，补偿后的加速度
输出严重偏离真实重力矢量。本 文 采 用 四元数的形
式分析并设计了互补滤波器，利用四元数的旋转特
性构造反馈量，有 效减少计算量同时避免姿态解算
中的奇异性问题。从理论上分析了互补滤波器的稳
定性，并给出了证明过程。在无人机存在运动加速
IMU
此，研究具有高可靠性、高精度的
多传感器
数据融合算法一直是中外学者关注的焦点。
GPS
度时，引入
速度信息导出载体加速度，还原
EKF
扩展卡尔曼滤波器算法（ ）是一种高精度
重力场在机体轴的真实分量。最后给出了基于四元
数的互补滤波器的具体实施步骤，并结合无人机真
实飞行数据进行了试验验证与误差分析。
的在飞行器中应用非常广泛的姿态解算算法，文献
[1]
/
/
设计了基于微机械陀螺 加速度计 磁力计的
2013-07-10
BE2010190
基金项目：江苏省科技支撑计划项目（
收稿日期：
作者简介：吕印新（
阳人，研究员，主要研究方向为无人机飞行控制与制导技术，
）
1989-
*
(1952-)
，男，湖南衡
），男，山东枣庄人，硕士研究生，主要研究方向为组合导航； 通信作者：肖前贵
Email . edu. cn
：
。
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