意法半导体
运动传感器
地磁传感器
3轴加速度计
导航及无人机姿态检测融合算法很难？用sensor fusion来搞定！
1.&&&&&&什么是姿态融合算法
简单来说，姿态融合算法就是融合多种运动传感器数据（一般需要3轴加速度， 3轴陀螺仪或者3轴地磁感应传感器），通过数字滤波算法容错补偿，实现当前姿态检测。
2.&&&&&&数字滤波算法的选择
根据运动传感器噪声模型，一般以下滤波算法可供融合算法选择：
a)&&&&&互补滤波算法
b)&&&&&扩展卡尔曼滤波算法
c)&&&&&&无迹卡尔曼滤波算法
d)&&&&&粒子滤波算法
e)&&&&&Mahony互补滤波算法
3.&&&&&&ST姿态检测融合算法
ST能提供完整的，高性能姿态检测融合算法--MotionFX/iNemoEngine。其能最大限度规避因加速度和地磁感应传感器数据异常，或者陀螺仪零飘带来的误差。多种数据输出选择，包括四元素，欧拉角，线性加速度以及重力矢量。
还有9轴和6轴两种选择：9轴的话需要3轴加速度，3轴陀螺仪和3轴地磁感应，能够提供当前三维空间的绝对方向信息，可以用作导航及无人机姿态检测等应用；6轴需要3轴加速度和3轴陀螺仪数据，可用于游戏，AR/VR等应用。
应用案例&&GD32F103+MPU9150四旋翼飞行器第一步：姿态融合算法
相比直升机来说，四旋翼乃至多旋翼飞行器的机械结构简单，操控灵活，飞行稳定，体积也能做的更小，当然也能更大，它将直升机复杂的机械结构设计难度转化到了电子电路和算法上面，因此四旋翼飞行器的设计更容易上手，更民众化。
四旋翼飞行器的软件核心包括两大部分：姿态融合算法和控制算法；硬件核心便是MCU和传感器。
先介绍下姿态融合算法，姿态融合说白了就是将3轴加速度、3轴角速度和3轴磁场强度融合成四元数，再将四元数转化为欧拉角，最后将欧拉角最为控制量输送到所有电机以达控制飞行器姿态的目的。欧拉角包括偏航角Yaw、俯仰角Pitch和滚动角Roll。我用的算法是Madgwick写的AHRSUpdate和IMUUpdate，简单有效，其中AHRSUpdate是融合了陀螺仪、加速度计和磁力计，而IMUUpdate只融合了陀螺仪和加速度计，就优缺点来说，IMUupdate算法只融合了加速度计和陀螺仪的数据，还需要使用互补滤波算法来融合磁力计以修正偏航角Yaw，不然飞行器会找不到北，但是这种互补滤波有个小问题，就是假如定义偏航角的范围是0-360度，那么当机头大概从北偏西1度转到北偏东364度时，机头会经过0度(360度)这个点，那么这时，yaw不会直接1-0-364这么变化，而是会被逆向积分从1-20-180-270-364这么转一圈，这是个不好的现象，实验了半天也没有解决，而AHRSupdate很好的解决了这个问题，不过由于AHRSupdate把磁力计的数据融合进了所有欧拉角，因此当传感器受到外围强磁场干扰时，就会造成全方位失控，导致坠机，而使用IMUupdate算法，顶多飞行器会转圈而已。
传感器我用的是invensense公司的MPU9150，MPU9150芯片集成了加速度计、陀螺仪和磁力计，并且内置硬件DMP用于姿态融合，不过不好用；MCU则用是Gigadevice公司的GD32F103系列，由于我也是刚接触四旋翼飞行器，第一个目的当然是能够平稳的飞起来，暂不考虑加入其他外围设备。后续可能会考虑使用GD32F107或者GD32F2xx系列，可扩展摄像头小玩一把航拍，当然更好的是GD32F4xx系列（期盼中），自带浮点运算单元，由于我软件太菜，算法中出现大量的浮点运算导致姿态更新频率和控制频率达不到很高。
做四轴飞行器也是为了好玩，目前我只完成了第一步：姿态融合。接下来才是更重要的，选择合适的机架、电调、电机、螺旋桨，写PID控制代码，系统整合以后还要调试各种参数，抗干扰，抗震动，最后还要加各种应用器件。在此鼓励一下自己，坚持就是胜利，慢慢磨洋工。
我现在软件实现的功能：算法用AHRSupdate、陀螺仪零偏校准、加速度计平滑滤波、磁力计平面校准，以后看情况可能会慢慢更新加速度计精确校准、磁力计椭球拟合校准、陀螺仪温度补偿等。
第一部分：硬件
1.传感器：MPU9150（INVENSENSE公司的，单芯片内集成了加速度计、陀螺仪和磁力计，并且内置DMP用于姿态融合，不过只融合了加速度计和陀螺仪，没有融合磁力计进去，具有自校准功能，价格比MPU6050贵很多，但是省PCB面积，省事，轴向重合度高。实际上就是把MPU6050和磁力计AK8975放在同一个芯片里，程序还是使用MPU6050的驱动，缺点是会偶尔丢失数据，自带的姿态融合算法的更新频率不高）；
2.MCU：GD32F103CB（Gigadevice公司的，ARMcortex-M3内核，32位MCU，主频最高108Mhz，48Pin，与ST同型号的32位MCU 直接兼容，性价比更高，外接8M晶振，也可使用内部8M晶振，晶振远离传感器，避免干扰磁力计，不过当时考虑不周，这个芯片的timer太少了，以后会先采用GD32F103VCT6或者GD32F107VCT6）；
3.电源芯片：TLV70233DBVR（TI的LDO，输入2-6V，输出3.3V，只需要外接2个X7R无极性陶瓷电容，价格太高）
4.串口：MAX3232（方便调试）
5.USB供电，输出电压5V
6.目前机架、电调、电池、电机和螺旋桨已买好，来张图，比较大众化：
图1：PCB的3D效果图，测试版，先追求调通得出姿态角，后续改版会做大的调整：
第二部分：软件
1.使用keil，uvision4.1.0，工具链：RealViewMDK-ARM Version4.12；
2.驱动：官方的MPU6050驱动inv_mpu.c和inv_mpu_dmp_motion_driver.c；
先看几个图，然后再说坐标轴的设定和算法部分。
图1：系统初始化，顺序从上到下依次是：初始化MPU、设置需要使用哪些传感器、设置陀螺仪测量范围（我设的是正负500度/s）、设置加速度计测量范围（我设的是正负4g）、配置fifo、设置采样率、装载DMP、设置陀螺仪轴向(比较重要)、使能DMP的一些玩意儿、设置DMP的FIFO、自校准陀螺仪和加速度计、开启DMP、开始姿态融合，见下图：
图2：由四元数求出的最终姿态角，其中Yaw为航向角，表示机头偏离正北方多少度，范
围-180到+180；Pitch为俯仰角，表示机头正方向与水平线的夹角，范围-90到+90；Roll为翻滚角，表示机翼与水平线的夹角，范围：-180到+180。下图为机身水平，且机头正北偏西37度左右的数据：
图3：下图为机翼水平，机头指向正北，且机头向下25度的数据
图4：下图为机头指向正北，保持水平，且机翼的右翼向下倾斜23度的数据
图5：看下欧拉角的奇异点，在奇异点处一个转动状态对应无穷多组自由度值，当物体转到这些奇异点附近，便没法求解。图中当Pitch为+90度时，机体的姿态便没法控制，Roll的轴向发生了变化。如下图：
第三部分：如何确定自己的轴向
首先，轴向的定义跟初始化四元数和最后结算的欧拉角有关，跟四元数更新算法无关，换句话说，不管你的轴向如何定义，姿态融合算法随便用，但是初始化四元数的公式和最后结算欧拉角的公式要做适当的改变，这个后面算法中有说。加速度计也好，陀螺仪也好，磁力计也好，他们的轴向都要满足右手定理，如下图：
再附上一段注释用于解释如何定义合理的轴向，以及如何正确旋转传感器的轴向，解释这么多其实就是说定义好的轴向要满足右手定理，如下图：
下图，旋转前是[x y z]，旋转后就是[-y x z]：
下图是如何确定旋转角度的正方向，用右手握住坐标轴，拇指指向轴向的正方向，四个指头弯曲的方向就是旋转角度的正方向，在初始化四元数时，计算出的欧拉角的正方向也要满足这个条件：
我的程序使用的轴向如下图所示，未作任何改变：
第四部分：算法
第一步是校准，加速度计和陀螺仪我用的是MPU9150内部自校准，磁力计的校准采用如下方法：见附件-磁力计校准
第二步是初始化四元数，常见的轴向定义是绕x轴旋转是Roll，绕y轴旋转是Pitch，绕z轴旋转是Yaw，我的程序中也有这样的定义，不过被我注释掉了，这里举个另外一种轴向定义来对初始化四元数进行说明，方便比较，也是我目前正在用的轴定义。
下面我们来定义绕x轴旋转是Pitch，绕y轴旋转是Roll，绕z轴旋转是Yaw，轴向的正方向如上图一样，不变。
先对加速度计和磁力计的数据进行处理，得到init_xx来供我们使用如下图：
然后通过公式计算出初始化的Roll、Pitch、Yaw，注意加负号保证旋转角度的正方向，如下图：
其中Yaw的正方向未必对，可以自己去验证下，具体参考公式见附件-ST电子罗盘计算Yaw
然后由上面的欧拉角求出初始化四元数，这时要注意旋转顺序的不同，公式也不同，大部分旋转顺序是Z-Y-X，我的程序里也用的这个顺序，在这里我们按Z-X-Y的顺序来旋转，并得出求四元数的公式以做比较，其旋转矩阵:
q=qyaw*qpitch*qroll=
(cos(0.5*Yaw)+ksin(0.5*Yaw)) *(cos(0.5*Pitch)+isin(0.5* Pitch)) * (cos(0.5*Roll)+jsin(0.5* Roll))
得出初始化四元数计算公式如下图所示：
其中i，j，k之间相乘的顺序不能随意变，在前的先计算，在后的后计算相乘的公式如下图：
至此初始化四元数完成。
第三步就是使用AHRSUpdate算法了，用完以后再根据公式计算出欧拉角，此公式跟旋转顺序和旋转使用的轴向有关，我们的旋转顺序是Z-X-Y，且绕Z是Yaw，绕X是Pitch，绕Y是Roll，推到过程如下图：
首先得出3个方向余旋矩阵：
下图绕Z轴Yaw：
下图绕X轴pitch：
下图绕Y轴Roll：
然后按照我们的Z-X-Y顺序求得C=Croll * Cpitch * Cyaw，如下图：
将上图的方向余旋矩阵C与下图的四元数姿态矩阵做对比，即可求出欧拉角，注意上图的方向余旋矩阵C是随着我们对坐标轴的定义变化而变化的，而下图的四元数姿态矩阵是固定的：
最后一步就是求出欧拉角，公式如下图：
以下是静止时，刚上电时的数据：
以下是上电半个小时以后的数据：
可以看出正常的静止状态下，数据的波动范围是不超过1度的，也不会有漂移。具体效果还需要上机架飞起来以后再做调整。
最后总结一下：
我的代码中，0&&yaw&360&, -90&&pitch&+90&,-180&&roll&180&，并且我定义：Yaw北偏西为正，pitch往上为正，roll&右翼&下沉为正。传感器坐标轴：绕y旋转是 roll，绕x旋转为pitch，绕z旋转为yaw。代码里只有姿态更新，72Mhz主频下更新频率在350-400Hz，108Mhz下可以达到400-500Hz，目前我采用定时器定时，代码跑108Mhz，使姿态更新频率控制在400Hz。
注意跑108Mhz时，需要修改延迟函数和串口函数，适当增加一下延迟函数的数值避免I2C通信失败，修改串口函数是为了避免108Mhz下串口乱码问题
原文标题：ST sensor fusion-姿态检测融合算法简介
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实现无人机和大数据平台的无缝集成对接。
多源数据采集
通过多源化数据、多类型数据的采集分析，
助力精准农业。
基于飞行大数据，
对飞行质量进行客观的预测、评估和分析。
植保作业任务明细记录统计、分析、
回放历史作业过程和农业完成度，通过不同的查询维度，
以图形化的方式展现无人机作业实际航迹。
在线调参，基于无人机大数据的学习与积累，
为客户提供精准的无人机调参修正值。
成像分辨率
640×480/320×240
成像动态范围
深度数据输出速率
相机输出颜色
有效测距范围
25mm x 25mm x 30mm
处理器尺寸
100mm x 100 mm x 20mm
原因：①通过USB连接飞控后，USB口缺少驱动或USB口损坏，无法构成通讯连接。②USB口驱动和硬件正常，连接USB线后，没有听声音提示，等待的时间不够马上在地面站点击连接
解决方法：①保证电脑系统已安装好相应的驱动，可通过查看“我的电脑”→“属性”→“设备管理器”→“通用穿行总线控制器”来确认。参见
图1.通过设备管理器确认驱动状态
②如设备管理器中无法识别飞控设备，请安装相关驱动，64位系统的PC机请安装“DPInstx64”，32位系统的PC机请安装“DPInstx86”。如无法正常安装驱动，请百度经验中搜索“Windows7系统如何禁用驱动程序签名强制”来处理，具体网址见http://jingyan.baidu.com/article/3f16e003cb7d0f.html
③驱动无问题后，通过USB线连上PC（已安装地面站）和飞控后，需要等待声音提示，提示音为三声（大约等待10秒），然后便可地面站的连接菜单，选择COM口建立连接。连接成功参见图2.飞控成功连接地面站
图2 飞控成功连接地面站
原因：①通过USB连接飞控后，USB口缺少驱动或USB口损坏，无法构成通讯连接。②升级固件的操作步骤错误。③选择固件文档错误，找不到固件。
解决方法：①安装USB口驱动的方法同问题1.
②升级固件的正确操作步骤为：断开飞控与地面站的连接（USB线连接），点击地面站“固件”→通过USB连接地面站与飞控→在自动弹出的“Select Firmware File”对话框中选择需要下装的固件。参见图3.固件下装
③固件版本是WZ格式的文件，需要与WZP格式的参数列表区分开。
图3 固件下装
原因：①数传模块的ID错误，不是成对的使用。②数传模块因使用不当造成损坏。
解决方法：①利用3DRRadio软件查看数传模块的网络ID，确保两边的数传模块的ID一致。3DRRadio的软件的使用方法：双击打开3DRRadio软件→点击加载设置（如需修改网络ID，可在网络ID处填写数字，点击保存设置即可修改成功）②如两端的数传模块内的指示灯点亮，但无法正常通信的处理方法：需先确保数传连接飞控的线缆是否有问题（如线缆接口脱焊），如无问题，需用3DRRadio确认数传模块是否能加载成功，加载成功即保证数传模块正常，无法加载需维修数传模块。参见图4.
3DRRadio软件确认数传模块的ID③所有模块上的线缆需断电插拔，保证不会因热插拔造成模块内元器件损坏。拆开模块的外壳，需带防静电手套（如无防静电手套，应手拿电路板无器件的边缘），以防止静电对元器件的损坏。
图4 3DRRadio软件确认数传模块的ID
原因：用户在地面站的使用中操作步骤错误。
解决方法：①下载完固件后，需要首先选择机型，如不先选择机型，则在更改机型后，前面的配置无法保留。参加图5.机型的选择
②X型和十字型多旋翼的区别是机头数量不同。选择机型不同，在地面调试时的姿态和空中的姿态会不同，请根据实际情况选择。
③推荐按照地面上菜单的先后顺序进行设置，即机型→遥控→飞行模式→传感器→安全→参数一览对元器件的损坏。
图5 机型的选择
原因：遥控器和接收机未对频成功。
解决方法：①查看数传与接收机的连接是否正确，接收机应接在S.BUS通道。
②查看接收机上LED的指示灯状态是否为绿色长亮（绿色长亮为对频成功），LED灯为红色或绿色闪烁则表明未对频成功，遥控器Futaba T8SG对频的方法：打开遥控器开关→接收机上电→用对频针按住接收机LINK MODE上的对频孔五秒钟→重新上电，LED灯变为绿色长亮为对频成功。在对频过程中，需要保证其他遥控器处于关闭状态（遥控器和接收机之间的连接支持1对多方式，同时开启多个遥控会有干扰）。
③对频成功后，校准遥控器时地面站的遥控器界面会出现监视通道的映射。参见图6.遥控器通道的映射。
图6 遥控器监视通道的映射
原因：遥控器中未设置襟翼开关对应的通道。
解决方法：①在遥控器上设置襟翼开关对应的通道，然后再进行遥控器的校准。
②遥控器Futaba T8SG通道的设置方法：双击LINK,进入LINKAGE MENU菜单→进行下面的FUNCTION设置界面，分别设置常用的几个开关对应的通道（如SE通道5,SC通道6,SG通道7，SA通道8）。其余遥控器的通道设置请参加相应的用户使用手册。
原因：飞行界面设置的方法不对。
解决方法：①开关的功能映射需在遥控界面设置，功能映射包括：喷泵开关、手动采点开关、任务清除开关（对应农业模式的功能）、操作模式选择（需用三挡位开关，对应经济、舒适和运动三种模式）、地形跟踪开关（对应农业模式的功能）。参见图7.功能映射的设置。
②开关对应的飞行模式映射需在飞行模式菜单设置，如通道5需设置三种飞行模式（姿态，辅助飞行和自动），则可通过改变相应模式下的切换阈值来设置。参见
图8.飞行模式的设置。
图7 功能映射的设置
图8 飞行模式的设置
原因：①在校准过程中未保持水平。②在校准的过程中，中途中断导致校准超时，参见图9.传感器校准失败
解决方法：①在校准陀螺仪时需要保证六个面水平，当地面站上某一面出现“持续旋转”时可开始旋转（顺时针、逆时针旋转均可），当某一面出现完成时便可翻转到下一面。参见图10.传感器的校准。
②在校准磁轮盘过程中，中途不能长时间耽搁，否则会校准超时失败。因数传模块传输速度相对慢，建议采用USB线进行磁罗盘等传感器的校准。在校准前建议在地面先确认校准六个面的朝向，以免在空中翻转错误或耽误时间。
③建议的校准顺序是陀螺仪（保持静止）→加速度计（翻面）→磁罗盘（翻面，旋转）→水平仪（保持静止）。因水平仪的校准与其他传感器相关，所以水平仪的校准须安排在最后。
④如果飞控的安装风向与机头方向（飞行方向）不一致，则需在飞控风向设置栏设置相应的角度，设置的角度是以飞行风向为原点，顺时针旋转得出。参见图10的红框。
图9 传感器校准失败
图10 传感器的校准
原因：①使用的地面站版本不是最新版本，不具有电调同时校准功能。②在电调的校准过程中，操作步骤不对，造成电调校准失败。
解决方法：①电调校准有两种方法，一种方法是采用遥控器单通道校准，校准方法是：电调控制线插在遥控器3通道→遥控器上电，把油门杆位拉至最低→上电调动力电→电电调自启动完成后（有特定的响声，如连续5声），把油门拉至最高，单通道校准完成。方法二是采用地面站各通道同时校准。
②使用地面站校准的方法：保证地面站是最新版本（有电调校准功能）→保证取下螺旋桨，断开连接的电池→使用USB线连接飞控和地面站，地面站的电池检测电压为0V→点击安全菜单下电调校准的“校准”按钮，弹出提示对话框（如图11.电调校准所示）→上电调的动力电（检测电压持续升高）→提示校准成功后便可断开动力电的电池连接。
图11 电调校准
原因：电调校准有问题，造成上下限量程不一致，使飞控给各电调控制信号的值不同。
解决方法：重新校准电调，校准电调的方法参加问题9。
原因：①安全开关未解锁。
②传感器等校准未完成，航灯红色快闪提示。
③遥控器的校准存在问题，使接收机接受不到外八字的解锁信号。
④遥控器解锁或锁定所在的飞行模式错误，无法完成。
解决方法：①用户可以借助风行姿态菜单的报警提示来处理相应问题。参加图12飞行姿态界面的报警信息。
②起飞过程中安全开关的显示状态：飞控存在问题（如传感器未校准完成）时，安全开关快闪→问题消除后，飞机处于等待状态，安全开关慢闪→按下开关持续2秒，飞机进入准备起飞状态，安全开关快闪→遥控器解锁，飞机可起飞。
③遥控器校准存在问题，杆位的量程上下限存在误差，此时接收机接收的信号不是解锁信号。解决方法是重新校准遥控器。
④使用遥控器解锁和锁定，需保证遥控器的飞行模式在姿态模式下。
图12飞行姿态界面的报警信息
原因：①GPS或飞控装不牢固
②GPS或飞控安装的方向与机头方向不平行（或不是90度的整数倍）。
解决方法：①当GPS或飞控与机身间存在相对运动时，需重新安装，安装时推荐用3M双面胶带和扎带固定。
②当GPS或飞控安装的方向与机头方向不平行时，需重新安装，使GPS、飞控和飞机的机头风向在同一平行线上。传感器重新安装后，请重新进行传感器校准，校准方法参见问题8。
沈阳市浑南区世纪路24号
北京办事处
朝阳区望京广顺南大街16号嘉美中心1809室无人机多传感器数据融合算法研究--《2014（第五届）中国无人机大会论文集》2014年
无人机多传感器数据融合算法研究
【摘要】：为了解决无人机多传感器从局域传感器阵列到融合节点的传输数据量过大问题,依据传输函数的特点,选取高斯函数作为基函数,用最小二乘方法来拟合,并提出了信息数据特征级的融合方法。数值仿真结果表明该方法在保证特征性数据性能不变的情况下,大大降低了局部节点到融合节点的传输数据量。
【作者单位】：
【分类号】：V279
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【参考文献】
中国期刊全文数据库
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【共引文献】
中国期刊全文数据库
韩芝侠;;[J];宝鸡文理学院学报(自然科学版);2011年02期
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