微小型飞行器地面试验姿态记录仪

摘要

本发明提供了一种微小型飞行器地面试验姿态记录仪，结合了MENS陀螺仪，加速度计以及数字罗盘等传感器获得飞行器的原始飞行姿态数据，并在利用均值滤波方法处理的基础上根据自定义的数据格式对飞行姿态数据进行分割和打包，以整数形式通过无线发送模块实时发送到上位机的数据组合单元处理，利用姿态解算单元实现对飞行姿态数据融合，从而实现快速、实时的对飞行姿态的更新。姿态解算单元主要由四元数互补滤波方法组成，它能够有效结合陀螺仪动态性能和加速度计的静态响应特性，补偿陀螺仪的积分误差。可视化单元模块根据姿态解算后的数据，驱动基于OpenGl图形库开发的飞行器模型实现飞行姿态的可视化模拟，并利用波形绘制模块将角位置运动以波形曲线的形式显示。

主权项

一种微小型飞行器地面试验姿态记录仪，包含下位机系统和上位机系统，下位机系统包括：控制单元，惯性检测单元以及无线发送模块；所述上位机系统包括：姿态解算单元、串口通信模块以及无线接收模块；其中，所述下位机系统与所述上位机系统之间通过所述无线发送模块与所述无线接收模块实现通信；所述控制单元由单片机组成；惯性检测单元由MENS陀螺仪，加速度计以及数字罗盘组成，所述MENS陀螺仪获得三轴角速度数据，所述加速度计获得三轴加速度数据，所述数字罗盘获得三轴磁场强度数据；串口通信模块实现了上位机系统中各个模块之间的串口通信的协议；所述姿态解算单元由计算机实现，包含可视化模块以及波形绘制模块；所述姿态解算单元分别将三轴角速度数据通过对角速度积分检测所述飞行器在飞行过程中的角度变化；将所述加速度数据和磁场强度数据，即通过所述飞行器各个轴上产生的重力分量以及与地球磁场间夹角的分量得到飞行器与惯性坐标系之间的夹角数据，即姿态角数据，并将所述夹角数据转换成基于四元数的旋转矩阵的方式来描述所述飞行器的飞行姿态；其特征在于：由所述单片机控制的所述下位机系统还包含均值滤波单元、数据打包单元和数据分割单元，所述均值滤波单元将所述MENS陀螺仪获得的角速度数据进行数据均值滤波，消除所述MENS陀螺仪因漂移输出的偏移后，连同磁场强度数据和加速度数据由所述数据打包单元进行打包，并由所述单片机将所述数据转换为整数的形式，所述数据分割单元将打包的数据中每一帧完整的数据分割成两部分后，并设置了起始位、数据位、停止位和校正位，通过无线发送模块将打包的数据发送到所述上位系统；所述上位机系统还包含数据组合单元；所述姿态解算单元还包含四元数互补滤波模块；以及滑动滤波模块；其中，所述数据组合单元将从所述下位机系统接受到所述打包的数据，对相邻接受到的数据进行检验，按照所述起始位、数据位、停止位和校正位进行数据组合成完整的角速度数据、磁场强度数据以及加速度数据，滑动滤波模块将角速度数据中发生突然跃变的数据剔除，将剔除跃变后的角速度数据发送到所述姿态解算单元进行姿态解算，所述姿态解算单元首先根据所述加速度数据和磁场强度数据加速度向量和磁场向量初始化，根据参考系的重力向量和磁场向量的四元数换算得到所述飞行器机体坐标系的重力单位向量和磁场单位向量，然后所述四元数互补滤波模块根据所述姿态解算单元针对MENS陀螺仪测量得到的角速度进行积分计算后的姿态角与所述加速度计和所述数字罗盘计算得到的姿态角之间计算误差向量，再采用互补滤波的算法，即根据所述误差向量乘以滤波系数用于修正对于所述MENS陀螺仪的角速度积分而累积的误差，将修正后的角速度积分构建基于四元数的旋转矩阵并进行规范化计算实现飞行姿态的更新，最后根据四元数换算成描述所述飞行器飞行姿态的姿态角。