PX4-Autopilot代码解析(7)-扩展卡尔曼滤波器(EKF2)

扩展卡尔曼滤波器 (EKF2) 模块是 PX4 自动驾驶系统的核心状态估计组件。它负责融合来自多个传感器的数据,以提供对飞行器姿态、位置、速度以及飞行控制所需的其他状态的可靠估计。本文档介绍了 EKF2 系统的架构、组件、操作和配置。

EKF2 采用模块化、可配置、抗传感器故障的设计,适用于各种车辆类型和操作条件。

架构概述

EKF2 模块使用处理估计过程不同方面的类的分层结构来实现。

类层次结构

该架构包括:

  1. EKF2 类:PX4 模块接口,用于处理与其他 PX4 模块的通信
  2. EstimatorInterface:定义状态估计器接口的基类
  3. Ekf 类:扩展卡尔曼滤波器算法的核心实现
  4. OutputPredictor:通过在过滤器更新之间传播状态来提供高速率输出
  5. 环形缓冲区:存储带有时间戳的传感器数据,用于延迟融合

状态向量

EKF状态向量包含以下组成部分:

状态向量在结构中定义StateSample,包括:

  1. 姿态:表示车辆方向的四元数
  2. 速度:东北向下(NED)框架中的 3D 速度矢量
  3. 位置:NED 框架中的 3D 位置矢量
  4. 陀螺仪偏置:陀螺仪的 3D 偏置矢量
  5. 加速度计偏差:加速度计的 3D 偏差矢量
  6. 可选状态:根据配置,可能包括磁场、风速和地形高度

状态向量的大小和组成是在编译时根据配置选项确定的。

数据流

下图说明了数据如何流经 EKF2 系统:

数据流过程包括:

  1. 传感器数据收集:通过 uORB 主题接收传感器数据
  2. 时间对齐:数据存储在带有时间戳的环形缓冲区中,以便延迟融合
  3. 状态预测:IMU 数据用于及时传播状态
  4. 测量融合:融合传感器测量值以校正预测状态
  5. 输出发布:估计状态发布到 uORB 主题,供其他模块使用

EKF2 模块在其自己的工作队列上运行,并由新的 IMU 数据触发。

传感器融合

EKF2 模块可以融合来自多个传感器的数据,以提供稳健的状态估计。融合过程由一组标志控制,这些标志决定使用哪些传感器。

融合控制标志

融合控制系统:

  1. 根据可用性和质量确定使用哪些传感器
  2. 管理不同传感器组合之间的转换
  3. 通过回退到替代源来处理传感器故障
  4. 当传感器数据有限时,提供劣化估计

Ekf 类中的函数controlFusionModes()负责根据传感器数据质量和可用性管理融合控制标志。

高度融合

EKF2 可以使用各种来源进行高度估计,由以下EKF2_HGT_REF参数控制:

ID 高度传感器 描述 优点 缺点
0 陀螺 气压计(气压高度) 始终可用,稳定 受天气、地面效应影响
1 全球导航卫星系统 GNSS 高度(参考椭球或 MSL) 全球参考,无漂移 需要良好的卫星可见性
2 RangeFinder
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