[发明专利]一种基于惯性导航技术的姿态融合增强测量方法及系统

说明书

本发明提供一种基于惯性导航技术的姿态融合增强测量方法和系统，方法包括步骤1，获取各传感器检测的姿态数据，进行数据初始化；步骤2，对初始化后的姿态数据进行捷联解算；步骤3，修正各传感器对应的姿态数据；步骤4，根据修正后的加速度数据、磁强计数据，利用反馈控制的方式来修正陀螺零点；步骤5，输出修正后的姿态数据。本发明具有磁异常检测功能，且磁修正不影响俯仰角和横滚角修正；基于非线性理论，提供了更好的收敛速度和控制精度。

技术领域

本发明涉及一种物体姿态测量，特别涉及一种基于惯性导航技 术的姿态融合增强测量方法和系统，属于惯性导航技术领域。

背景技术

在实际生活中，运动物体的姿态测量是必不可少的。通过对姿 态的测量，可以对运动物体进行控制，使其按照期望进行姿态运动； 也可以通过姿态的测量，了解运动物体的姿态变化，进而得知其内 在的运动规律。物体在空间运动存在六个自由度，分别是三个线自 由度和三个角自由度。其中三个角自由度运动，即空间转动，可以 用欧拉角来直观的进行表示，描述物体在三维空间的姿态，通常称 为横滚角、俯仰角和航向角。这三个欧拉角也被称为姿态角，或者 简称姿态，通常用四元数，即四维向量表示。欧拉角的变化，即姿 态的变化。运动物体可以是飞机，汽车或者人的手臂等可以发生姿 态变化的物体。

姿态测量在生产生活中无处不在。姿态测量装置一般采用陀螺 仪，加速度计和磁强计。传统的高精度陀螺仪IMU，使用的是高精 度的传感器器件，价格昂贵，体积较大，重量较重，不适于精度要 求较低的应用场合。因此，近年来，随着微机电MEMS器件的发展， 出现了以MEMS陀螺仪，MEMS加速度计和MEMS磁传感器(也称作磁 强计)为传感器的各种小型化的航姿参考系统AHRS。MEMS器件，成 本低，质量轻，体积小。在精度满足使用需求的前提下，使用MEMS 器件是不二选择。MEMS陀螺仪，利用科里奥利力测量运动物体的角 速度，动态响应特性好(带宽较宽)，但计算姿态时采用积分算法， 会产生累积误差；MEMS加速度计用于测量物体的运动加速度和重力 加速度，易受物体振动的影响，低频特性好，静态精度高；MEMS磁 传感器，测量物体所处当地的地磁场强度，易受外界电磁干扰，但 是长期精度有界，不会发散。磁传感器和加速度计测量姿态没有累 积误差，但动态响应差(带宽较窄)，且噪声相对较大。由于各个 传感器本身固有的特点，导致使用单一种类传感器难以获得有效稳 定的姿态信息。因此，考虑到MEMS陀螺仪、MEMS磁传感器和 MEMS加速度计在频域上的特性互补，采用互补滤波方式融合三种 传感器数据，使三种传感器优势互补，提炼有效的姿态信息，提高 姿态测量精度，得到广泛应用。

现有的技术方案中，姿态互补滤波的主要缺点为：

(1)互补滤波通常采用PI反馈方式(k_p和k_I分别为反馈系数)， 属于线性控制方式，很难同时保证算法的快速性和稳定性。

(2)MEMS磁传感器很容易受到外界干扰，在室内磁场环境更为 恶劣，由于外界磁干扰的影响，常规互补滤波算法修正航向角时， 经常会出现影响俯仰角和横滚角的情况。即：外界磁异常导致俯仰 角和横滚角修正异常。

发明内容

针对上述不足，考虑到采用传统的线性控制，只能达到指数稳 定，即系统以指数方式趋近于零(需要无穷长时间达到零)。而引 入非线性控制后，则能提高系统性能，达到有限时间稳定(在有限 时间到达零点)。因此，提出一种基于惯性导航技术的非线性增强的互补滤波姿态测量方法和系统。

技术方案如下：

一种基于惯性导航技术的姿态融合增强测量方法。通过陀螺仪， 加速度计和磁强计获取物体的姿态数据，对姿态数据进行修正，输 出物体的互补滤波姿态数据，其特征在于：

步骤1，获取各传感器检测的姿态数据，进行数据初始化；

步骤2，对初始化后的姿态数据进行捷联解算；