姿态航向测量与误差补偿方法研究.pdf

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1、2014年第33卷第l1期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)37DOI：10．13873／J．1000-9787(2014)11--0037-04姿态航向测量与误差补偿方法研究王昌刚，刘强，韩瑜(江苏自动化研究所，江苏连云港222000)摘要：设计了一种基于MEMS陀螺仪、加速度计、磁传感器的小型姿态航向参考系统；以四元数和角速率偏差为状态矢量，磁场强度和加速度计信息为量测矢量，构建基于Kalman的四元数姿态航向解算方法；通过调整测量噪声方差矩阵，解决动态过程

2、中由于运动加速度造成的姿态角误差；采用陀螺仪误差建模和磁航向罗差补偿技术，进一步提高了系统测量精度。根据飞行数据分析，姿态航向参考系统具有较高测量精度和较好的稳定性、动态性，姿态角均方根误差小于1．5。，航向角均方根误差小于3。。关键词：姿态航向；Kalman滤波；误差补偿；信息融合中图分类号：TP212．9文献标识码：A文章编号：1000-9787(2014)11-0037-04StudyonattitudeandheadingmeasurementanderrorcompensationmethodWANGCha

3、ng-gang，LIUQiang，HANYu(JiangsuAutomationResearchInstitute，Lianyungang222000，China)Abstract：AkindofsmallAHRSisdesignedbasedonMEMSgyroscope，accelerometerandmagneticsensor；Kalman—basedquatemionattitudeandheadingresolvingmethodisbuihusingquaternionandangularratebia

4、sasstatevector，magneticfieldintensityandaccelerationinformationasmeasurementvector；attitudeangelerrorcausedbydynamicaccelerationissolvedbyadjustingmeasurementnoisecovariancematrix；gyroscopeerrormodelingandmagneticheadingcompasserrorcompensationtechnologyareused

5、tofurtherimprovemeasurementprecisionofsystem．AHRShashighprecisionandgoodstabilityanddynamics，RMSEofattitudeangleislessthan1．5。．andheadingangleislessthan3。．Keywords：attitudeandheading；Kalmanfiltering；errorcompensation；informationfusion0引言面的介绍并不详细；文献[7，8]则主要针对陀螺仪

6、的误差随着微电子、微机械技术的发展，MEMS陀螺仪、加速补偿技术做了深入的研究。度计和磁传感器具有体积小、功耗低、质量轻、成本低、可靠本文以小型无人机姿态测量系统应用为背景，设计了性高等优点，在低成本姿态测量系统中获得越来越广基于ADIS16407的DSP硬件系统，深入研究了姿态解算方泛的应用。但由于MEMS陀螺仪存在静态漂移，而加法与Kalman滤波的信息融合技术，根据陀螺仪实际测试数速度计和磁传感器在运动状态或受周围磁场干扰下无法准据，对陀螺仪静态漂移误差进行了建模和补偿，对存在较大确反映姿态信息，通过单一的陀螺

7、仪或加速度计与磁传感罗差的磁航向角，采用罗差补偿技术提高航向角测量精度。器进行姿态测量，都无法获得高精度姿态信息。为了提高1数字信号处理系统设计姿态信息的测量精度，国内外学者在姿态算法和误差补偿系统硬件设计框图和实物如图1所示，主要由方面做了大量的研究，文献[3]采用陀螺仪和GPS信息融ADIS16407传感器、微处理器、通信接口、GPS模块、电源模合的滤波方法进行姿态解算，但这种解算方法由于受到块和外围电路等组成。GPS信号采样率和容易被遮挡的限制，影响姿态测量的实姿态解算过程中，不仅涉及到坐标系、姿态转换运算，时

8、陛和稳定性；文献[6]提出了多种姿态测量的硬件设计还涉及到信息融合过程中大量的矩阵运算，选用TI公司具方案，对姿态解算也有涉及，但在姿态解算信息融合技术方有BIOS嵌入式实时操作系统的数字信号处理器(DSP)收稿日期：2014-08—15基金项目：国家自然科学基金资助项目(61305050)；江苏省自然科学基金资助项自(BK2012236)38