利用慣性測量與氣壓計實現姿態估計
本文提出利用氣壓計輔助進行姿態估計，通過氣壓高度測量提供垂直運動補充信息，增強非線性觀測器在SE(3)上的性能。設計了兩種觀測器：確定性Riccati觀測器與互補濾波器級聯，保證幾乎全局漸近穩定；以及統一框架下基於SO(3)×R2的非線性觀測器，保證局部指數穩定。仿真和實際飛行數據驗證了該方法在最小感知配置下的有效性和可靠性。
自主飛行器在高加速飛行或全球導航衞星系統（GNSS）信號缺失的情況下，精確且魯棒的姿態估計面臨重大挑戰。傳統的慣性測量單元（IMU）在區分重力加速度與慣性加速度時存在模糊性，僅依靠IMU無法可靠估計傾斜角。雖然常用的輔助速度傳感器如GNSS、皮托管、多普勒雷達或視覺慣性里程計可提供幫助，但這些設備可能不可用、不連續或成本高昂。為此，本文提出一種新型氣壓計輔助姿態估計架構，利用氣壓高度測量提供飛行器垂直運動的互補信息，從而增強基於SO(3)的非線性觀測器的姿態估計性能。
研究貢獻主要體現在兩個方面。首先，設計了一種確定性Riccati觀測器與互補濾波器級聯的方案，在一致可觀測性條件下保證幾乎全局漸近穩定性，同時保持姿態動力學的幾何結構。其次，提出了一種在SO(3)×R2空間上演化的非線性觀測器，將IMU測量作為輸入，氣壓計和磁力計測量作為輸出，構建統一框架，在放寬的一致可觀測性條件下保證局部指數穩定性。
通過對仿真數據和實際飛行數據的驗證，結果表明氣壓計輔助估計方法在最小感知配置下提供了一種輕量級、可靠且有效的互補感知模態，為傳統速度測量不可用或降級時提供了實用的替代方案。這一方法對於無人機、自動駕駛汽車等自主系統在複雜環境下的可靠運行具有重要價值。該方法不僅擴展了姿態估計的傳感器多樣性，還降低了系統對昂貴或易受干擾設備的依賴。未來，這一架構有望集成到更多無GPS環境下的機器人平台中，提升它們在未知或惡劣條件下的導航能力。