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主管单位 中华人民共和国
工业和信息化部
主办单位 哈尔滨工业大学 主编 李隆球 国际刊号ISSN 0367-6234 国内刊号CN 23-1235/T

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引用本文:钱华明,黄蔚,孙龙.四元数约束的容积卡尔曼滤波及其应用[J].哈尔滨工业大学学报,2014,46(7):40.DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.2014.07.008
QIAN Huaming,HUANG Wei,SUN Long.Cubature Kalman filter with quaternion constraint and its application[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2014,46(7):40.DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.2014.07.008
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四元数约束的容积卡尔曼滤波及其应用
钱华明, 黄蔚, 孙龙
(哈尔滨工程大学 自动化学院,150001 哈尔滨)
摘要:
针对一些非线性系统状态变量中存在四元数约束的情况,提出了一种四元数约束下的容积卡尔曼滤波(quaternion constrained cubature kalman filter,QCCKF)算法.基于最小约束代价函数,采用三阶球面-相径容积规则近似计算系统状态的后验均值和协方差,给出了QCCKF滤波递推公式.设计的QCCKF算法可以有效地对状态进行估计,扩展了CKF的应用范围.最后对飞行器姿态估计系统进行仿真,仿真结果表明,该算法估计精度优于常规CKF和无迹四元数估计法(unscented quaternion estimator, USQUE),并满足四元数约束条件,较好地解决了非线性系统存在四元数约束的问题,验证了算法的有效性.
关键词:  容积卡尔曼滤波  四元数约束  最小约束代价函数  三阶球面-相径容积规则
DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.2014.07.008
分类号:U666.12
基金项目:国家自然科学基金资助项目 (61104036);哈尔滨市科技创新人才研究专项资金(优秀学科带头人)资助项目(2014RFXXJ074).
Cubature Kalman filter with quaternion constraint and its application
QIAN Huaming, HUANG Wei, SUN Long
(College of Automation, Harbin Engineering University, 150001 Harbin, China)
Abstract:
Aiming at the case of the state vector with quaternion constraint in some nonlinear systems, a quaternion constrained cubature Kalman filter algorithm is presented. Based on a minimum constrained cost function, this algorithm uses three-degree spherical-radial cubature rule to approximate the posterior mean and covariance, and gives the QCCKF recursive formula. It can estimate the state effectively, and extends the applications of the cubature Kalman filter (CKF). By simulating for the spacecraft attitude estimation system, simulation results show that the proposed algorithm is superior to CKF and unscented quaternion estimator(USQUE) in precision, satisfies the quaternion constraint, and solves the problem that the nonlinear system has quaternion constraint, which show the validation of the proposed method.
Key words:  cubature Kalman filter  quaternion constraint  minimum constrained cost function  three-degree spherical-radial cubature rule

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