基于互补滤波法的小型无人机高度组合测量方法研究

李艺海

（中国飞行试验研究院 飞机所，陕西 西安710059）

1 概述

高度信息是无人机最为关键的飞行信息之一。无人机的自动驾驶仪的诸多功能，如定高飞行、航路点飞行、自动起飞着陆等，都要基于对无人机飞行高度进行精确控制来实现的。而进行精确的高度控制的基础是要获得无人机实时的精确的飞行高度。随着电子元器件技术的发展，即便是低成本的小型无人机，也配备了一种或多种可以获取飞机飞行高度的测量传感器。最常用的高度测量传感器有惯性元件、气压计、GPS、超声波测距仪、激光雷达等。每一种传感器有其独特的信号特性，测量的稳定性、实时性和精度各不相同，如何利用多种测量信号融合解算出高精度的高度信号是一大难点。本文以一小型无人机为研究对象，研究基于互补滤波法的高度信号融合估算方法，并通过实际飞行给出互补滤波法的实际使用效果。

2 几种常用高度测量传感器的测量特性

2.1 惯性元件

因增稳控制的需要，无人机都会配备陀螺仪和加速度计一体的惯性测量元件。根据物体运动规律知道，加速度进行一次积分可以得到速度，进行两次积分则可以得到质点发生的位移变化。因此，可以利用垂向加速度进行二次积分来测量飞机的高度变化。这种方法的优点是更新频率足够快，完全可以满足飞控系统高度控制环带宽的要求。但是，加速度计的任一微小的偏差经积分后会被不断累积下来，导致这种方法得到的高度信号在长时间上是发散的。另外，加速度计对振动敏感[1]，飞行时机体振动会给加速度计带入测量噪声，也会影响高度解算的精度。

2.2 气压计

气压计通过测量静压来确定飞机所处的气压高度。对于小型低成本无人机，气压计是一个低成本且相对可靠的高度测量传感器。但是，气压计的测量误差会因高度的降低而增大[2]，且容易受飞机姿态的影响，在飞机进行机动飞行时气压计的高度测量准确性会下降。另外，气压计也易受温度影响，若在无人机上安装在发热部件附近也会造成测量误差。

2.3 GPS

GPS 能够给出载机的位置和速度信息。相比于加速度计和气压计，GPS 既不会产生零飘累积，也相对不易受飞机姿态的影响，是一个比较可靠的高度测量设备。但是，虽然现在GPS 的水平定位精度已经较高，但高度的定位精度仍然相对较差。另外，低成本的GPS 设备的更新速度较低[3]，仅几赫兹到十几赫兹，直接使用无法满足控制律实时控制的要求。

2.4 超声波测距仪和激光雷达

这两种传感器的测量原理有点类似，通过向地面发生特定的超声波信号或激光信号，记录信号发出到接收到反射信号之间的时间差，进而反算出飞机相对地面的高度。虽然这两种传感器的测量精度较高，但是作用距离有限[4]，只能在近地面时才能起作用，在小型无人机上应用较少。

3 无人机高度估算方法

以配置了加速度计、气压计和GPS 的一小型无人机为例，基于互补滤波法研究了利用三种传感器信息进行高度融合估算的方法。

在任一时刻，通过加速度计的两次积分、气压计和GPS 的直接测量都能给出飞机当前所处的高度。这三种传感器中，加速度计的动态性能良好，但静态性能较差；气压计、GPS 则是静态性能较好，而动态性能不足。三个高度值参杂着不同的噪声和误差。那么，飞机高度的真值到底是多少？互补滤波法的思路是对三个高度值进行加权平均。

互补滤波法的基本原理是，对垂向加速度信号进行一次和两次积分，得到飞机的高度预测值，然后利用气压计和GPS 的高度测量值以一定权重对高度预测值进行校正，最终得到飞机的真实高度。互补滤波法的处理流程如图1 所示。互补滤波法的处理流程中包含了两个关键校正环节：直接校正和间接校正。直接校正即是利用加速计得到的预测高度经过高通滤波后与经过低通滤波的气压计和GPS 测得的高度分别作差，然后这两个差值乘以相应权重系数，再与预测值融合起来得到最终的真实高度值，其离散形式见公式（1）～（3）。直接校正的作用是，加速度积分的结果在长时间上是发散，而气压计、GPS 的测量值是有界的，所以直接校正可以立即对积分发散进行限制，使其收敛到真实值。

图1 利用多传感器进行高度估算的互补滤波法

图2 Z 向加速度和积分高度

但是，通常加速度计的更新速率要远大于气压计和GPS 的更新速率，那么在气压计和GPS 均未有数据更新的时刻下如何对预测高度进行校正呢？由此引入了间接校正环节。在每次直接校正完成后，利用校正后得到的高度真值分别与气压计和GPS 的测量值作差，然后利用这两个差值形成加速度计偏移量对加速度计测量值进行补偿，得到更为准确的加速度值。这样，在气压计和GPS 数据没有更新时，利用校正后的加速度值也能获得相对准确的高度值。

图3 气压高度、GPS 高度和校正高度

4 飞行验证

在一小型无人机上应用以上高度估算方法。在某次飞行中，所得试飞结果如图2-图3 所示。图2 显示了飞机的Z 向加速度计噪声污染明显，而由Z 向加速度信号直接积分得到的高度值呈发散趋势，在不到500 秒的飞行过程中积分高度漂移超过50km。图3 则展示了采用互补滤波法后校正高度与气压高度和GPS 高度的变化趋势总体一致，真实地反映了飞机的高度变化。

5 结论

互补滤波法通过对多个传感器采长补短，实现了多个传感器数据融合得到一个更准确的高度值，而且其原理简单、易实现、计算量小，特别适合嵌入式飞控系统。本文首先分析了几种常用的高度测量传感器的信号特性，针对为小型无人机提供高精度高度信号现实问题，采用互补滤波法研究了基于加速度计、气压计和GPS 三种传感器的飞机高度融合估算方法。对方法进行了实飞验证，结果表明本文方法有效，能够为无人机控制提供一个更可靠、更准确的高度信号。