基于CPF-EKF算法的大载荷植保无人机姿态解算方法

为了解决传统人工喷洒农药的不足,更高效地进行病虫害的防治,设计了基于八轴十六旋翼无人机的农药喷洒系统,实现了农药的机载喷洒功能。使用共轴双桨和旋翼模块的倾斜配置,对八轴多旋翼无人机进行结构改进,提高了系统的安全性与可靠性。整个系统满载10 kg,喷洒飞行速度可到达5 m/s,飞行时间超过10 min。针对传统扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman filter,EKF)姿态解算方法无法满足大载荷无人机强振动条件下的工作要求,导致姿态角解算精度不高,并且容易导致姿态角发散的问题,提出了基于20维状态量的CPF-EKF算法,额外引入了陀螺仪、加速度计和磁力计偏置误差作为状态量,使三轴姿态角的最优估计值更加准确,并且引入互补滤波(Complement filter,CPF)检测模块,当检测到EKF有发散趋势时,对EKF进行复位,从而简单高效地避免了EKF发散。采用实际飞行数据对算法进行验证,静态试验表明,该算法滚转角和俯仰角精度为±0.05°,偏航角精度为±0.2°。动态试验中以MTi传感器输出为参考,CPF-EKF在姿态解算过程中出现复位,三轴姿态角准确跟踪并未发散,并且动态精度与MTi相当,滚转角、俯仰角精度为±0.1°,偏航角精度为±0.5°,并且算法具有良好的实时性,证明了该算法的有效性。