[发明专利]一种阴影下的载体姿态估计方法

说明书

本发明公开了一种阴影下的载体姿态估计方法，包括以下步骤：一、建立载体坐标系；二、载体姿态初始参数的获取；三、基于退化四元数的观测器模型的建立并获取载体的姿态估计值。本发明方法步骤简单，设计合理且实现方便，建立基于退化四元数的观测器模型，将航向角与姿态角估计分离出来，在阴影无GPS信息情况下只利用三轴加速度计和三轴陀螺估计载体姿态角,并能在低动态下通过融合三轴加速度计和三轴陀螺输出进行姿态估计，在机动状态下切换到仅依赖三轴陀螺进行姿态估计,具有较高的姿态精度。

技术领域

本发明属于微惯性航姿技术领域，尤其是涉及一种阴影下的载体姿态估计方法。

背景技术

微机械陀螺(即MEMS陀螺)因具有成本低、体积小和便于批量生产等优点，在机器人、无人机等领域具有广泛的应用前景。然而，与激光陀螺和光纤陀螺相比，微机械陀螺存在较大的误差，在许多对精度要求相对较高的领域很难得到应用。

由于微机械陀螺单独工作的精度低，不能长时间提供稳定的姿态，一般需要与加速度计和GPS等辅助信息组合使用，通过姿态估计算法修正陀螺的漂移误差。典型的姿态估计算法大致分为两类：一类是从频率域来分辨和消除噪声，不需考虑信号的统计特性，如互补滤波器；另一类是使用状态空间法在时域内设计滤波器，如扩展卡尔曼滤波器和无迹卡尔曼滤波器等。姿态估计算法能够发挥各个惯性器件的优势，取长补短，提高系统精度的同时放宽了各个惯性器件的精度要求。一种典型的方法是采用加速度计和单基线GPS提供复杂观测信息，对陀螺误差实时校正。针对加速度计易受机动加速度的影响，在载体机动时会干扰加速度计对重力的测量。为了克服机动加速度对姿态估计的影响，一种可行的方法是利用GPS测量的加速度信息补偿加速度计非重力加速度的影响。但是GPS对空视要求较高，极易受到阴影遮挡或者干扰影响。上述无法得到应用于无GPS信号或者GPS信号受到干扰的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种阴影下的载体姿态估计方法，其方法步骤简单，设计合理且实现方便，建立基于退化四元数的观测器模型，将航向角与姿态角估计分离出来，在阴影无GPS信息情况下只利用三轴加速度计和三轴陀螺估计载体姿态角,并能在低动态下通过融合三轴加速度计和三轴陀螺输出进行姿态估计，在机动状态下切换到仅依赖三轴陀螺进行姿态估计,具有较高的姿态精度，有效地应用于无GPS信号或者GPS信号受到干扰的情况，实用性强。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种阴影下的载体姿态估计方法，该方法所采用的装置包括数据处理器、设置在载体上的三轴陀螺和三轴加速度计，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立载体坐标系：

以载体的质心为原点o，ox_b轴与所述载体的纵轴重合且指向所述载体前进方向，oy_b轴与所述载体的横轴重合且指向所述载体前进方向的右侧，oz_b轴垂直于所述ox_b轴和所述oy_b轴形成的平面ox_by_b且指向所述载体下方，建立载体坐标系ox_by_bz_b；

步骤二、载体姿态初始参数的获取：

步骤201、三轴加速度计对载体初始时刻的总加速度进行检测，并将检测到的初始时刻总加速度发送至数据处理器，数据处理器根据公式和得到载体的初始俯仰角φ(0)和载体的初始横滚角θ(0)；g表示重力加速度，且g＝9.8m/s²；其中，f_x(0)表示三轴加速度计测量到的初始时刻总加速度在ox_b轴上的加速度分量，f_y(0)表示三轴加速度计测量到的初始时刻总加速度在oy_b轴上的加速度分量，f_z(0)表示三轴加速度计测量到的初始时刻总加速度在oz_b轴上的加速度分量；