[发明专利]基于MEMS传感器的四元数融合姿态估计方法

说明书

本发明公开了一种基于MEMS传感器的四元数融合姿态估计方法，包括：将陀螺仪原始测量信号进行预处理，得到预处理后的高频陀螺输出；使用含遗忘因子的加权最小二乘算法对所述高频陀螺输出进行处理，得到去噪后的陀螺输出；基于获取的初始姿态四元数和所述去噪后的陀螺输出使用改进的最小二乘递推方法估计陀螺漂移；将估计得到的陀螺漂移输入最小二乘估计模型得到补偿后的姿态四元数；基于所述补偿后的姿态四元对陀螺仪的姿态进行更新。实现提高姿态估计精度的优点。

技术领域

本发明涉及姿态估计领域，具体地，涉及一种基于MEMS传感器的四 元数融合姿态估计方法。

背景技术

姿态估计作为其感知的重要环节，在无人机、无人车等智能机器中被 广泛使用。

如今消费级无人市场逐渐爆发，尤其是作为无人市场先驱的无人机系 列，由于MEMS(Microelectromechanical Systems)技术因为其独有的优 势可以低成本的集成更多传感器，从而有利于实现姿态的精确测量和控制， 并且MEMS传感器可测量的动态范围也在不断扩大。MEMS陀螺仪在无 人系列中最直观的应用是获取姿态，延续应用是对运载体的平稳控制与辅 助导航，其中陀螺仪是关键器件。但陀螺仪无法提供绝对的基准，因此， 如何从带有噪声的MEMS陀螺仪输出中获取更为准确且稳定的实时姿态 信息是目前研究的重点，所以研究如何对MEMS陀螺仪进行降噪更事关 姿态估计的精度。

姿态的表示方法是研究姿态估计的基础，常见的姿态解算方法有欧拉 角、方向余弦、旋转矢量、四元数微分方程。由于全局且非奇异的优点， 与可以避免大量三角计算的特性，计算量小的四元数表示方法应用广泛。 而基于MEMS的加速度计/陀螺仪的微惯性姿态测量单元(Micro Inertial Measurement Unit,MIMU)因为具有成本低、体积小、功耗低的优点，在姿 态估计领域应用较多。在长时间的工作段内，由于加速度计的精度高于陀 螺仪，且陀螺仪有累计误差，结合加速度计与陀螺仪的做法可以得到较高 精度的姿态信息，使用磁强计辅助的方式也可进行航向角的修正，但磁强 计对外界磁场较为敏感，比较容易受到干扰，对运载体的行驶环境有一定 的要求。因此，研究基于MEMS加速度计/陀螺仪的微惯性姿态测量单元 的四元数姿态更新方式具有重要的意义，不仅成本较低，可适用环境广泛， 而且其寿命长、集成度较高，所以在无人系列的感知层中，研究基于MEMS 技术的姿态测量具有重要的作用。

尤其是小型无人机的应用，因为体积小的限制，小型无人机在一定程 度上限制了激光陀螺和光纤陀螺等高精度姿态测量装置的应用，于是 MEMS传感器成为小型无人机姿态测量和控制的首选。由于单纯依靠提高 惯性仪表精度来改善测量精度不仅需要较高的技术水平，而且研发成本也 相应提升，所以在硬件基础保持不变的情况下，提升姿态精度的关键就在 于算法的选择和融合方式上。例如仿生无人机的应用，它作为一种小型且 有着重要应用的无人机系列，基于MEMS的传感器是对它进行稳定控制 和姿态测量最合适的种类。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于MEMS传感器的 四元数融合姿态估计方法，以实现提高姿态估计精度的优点。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：

一种基于MEMS传感器的四元数融合姿态估计方法，包括：

将陀螺仪原始测量信号进行预处理，得到预处理后的高频陀螺输出；

使用含遗忘因子的加权最小二乘算法对所述高频陀螺输出进行处理，得到 去噪后的陀螺输出；

基于获取的初始姿态四元数和所述去噪后的陀螺输出使用改进的最小二乘 递推方法估计陀螺漂移；

将估计得到的陀螺漂移输入最小二乘估计模型得到补偿后的姿态四元数；

基于所述补偿后的姿态四元对陀螺仪的姿态进行更新。