基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计和补偿方法

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1、ＩＳＳＮ１０００－００５４ＣＮ１１－２２２３／Ｎ清华大学学报（自然科学版）２０１４年第５４卷第９期ＪＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖ（Ｓｃｉ＆Ｔｅｃｈｎｏｌ），２０１４，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．９４／２５１１４３－１１４７基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计和补偿方法吴哲明１，孙振国１，张文增１，陈强１，２（１．清华大学机械工程系，先进成形制造教育部重点实验室，北京１０００８４；２．浙江清华长三角研究院，嘉兴３１４００６）摘要：陀螺仪的漂移误差是影响惯性导航系统的姿态测量精度的重要因素。常用的陀螺漂移估计及航向角

2、误差修正方法需要用磁强计或ＧＰＳ等外部传感器的辅助数据来实现，存在室内、磁干扰等环境下应用受限的问题。对此该文提出了惯性测量单元旋转的改进方法。该方法在测量过程中对陀螺仪施加独立于物体运动的特定旋转，通过旋转前后不同姿态下陀螺仪和加速度计输出的倾角数值，得到惯性测量单元漂移估计。实验表明，该估计算法可有效地提高航向角的测量精度。陀螺仪作为一种常见的姿态传感器，广泛应用于移动机器人、无人机、航天器等需要对运动物体进行姿态测量和控制的领域。通过对３轴陀螺仪所测量的旋转角速度进行积分能够得到姿态角。但是，由

3、于陀螺仪存在漂移问题，长时间累积计算会产生较大误差，需要利用辅助传感器来对陀螺漂移进行估计和误差补偿［１］。惯性测量单元一般包含了陀螺仪和加速度计。［２］，相关键词：姿态测量；陀螺漂移；惯性测量单元（ＩＭＵ）旋转；航向角修正中图分类号：Ｖ２４９．３２文献标志码：Ａ通过加速度计能够获得惯性测量单元的倾角当于倾角传感器。结合陀螺仪和加速度计的计算结果可以获得较高精度的倾角信息。国内外学者采用［３－４］、互补滤波［５－６］文章编号：１０００－００５４（２０１４）０９－１１４３－０５Ｋａｌｍａｎ滤波等数据

4、融合方法来ＧｙｒｏｓｃｏｐｅｂｉａｓｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｂｙｒｏｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｅｒｔｉａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｎｉｔＷＵＺｈｅｍｉｎｇ１，ＳＵＮＺｈｅｎｇｕｏ１，ＺＨＡＮＧＷｅｎｚｅｎｇ１，ＣＨＥＮＱｉａｎｇ１，２（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖ

5、ｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ；２．ＹａｎｇｔｚｅＤｅｌｔａＲｅｇｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｘｉｎｇ３１４００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｂｉａｓｉｓａｍａｊｏｒｆａｃｔｏｒａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆａｔｔｉｔｕｄｅｅｓｔｉｍａｔｅｓｉｎｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ．Ｅｘｉｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｇｙｒｏｓｃｏｐｅｂｉａｓａｎｄｈｅａｄｉｎｇｅｒｒ

6、ｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｎｅｅｄａｄｄｉｔｉｏｎａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｆｒｏｍａｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ，ｇｌｏｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ（ＧＰＳ）ｏｒｏｔｈｅｒｅｘｔｅｒｎａｌｓｅｎｓｏｒｓ，ｓｏｔｈｅｙａｒｅｏｆｌｉｍｉｔｅｄｕｓｅｉｎｓｏｍｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｉｎｄｏｏｒｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｏｒｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｓｔｒｏｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ．Ａｂｉａｓｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｇｉｖｅｎｈｅｒｅｂａｓ

7、ｅｄｏｎｒｏｔａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｉｎｅｒｔｉａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｎｉｔ．Ｔｈｅｇｙｒｏｓｃｏｐｅｂｉａｓｉｓｅｓｔｉｍａｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｓｏｆｔｈｅｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓａｎｄａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｔｔｉｔｕｄｅｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｊｕｓｔｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｒｏｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｕｎｉｔ．Ｔｅｓｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍ

8、ｐｒｏｖｅｓｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅａｔｔｉｔｕｄｅｅｓｔｉｍａｔｅ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｈｅａｄｉｎｇａｎｇｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｔｔｉｔｕｄｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｂｉａｓ；ｒｏｔａｔｉｏｎｏｆｉｎｅｒｔｉａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｎｉｔ（ＩＭＵ）；ｈｅａｄｉｎｇａｎｇｌｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ估计和补偿陀螺仪漂移以提高动态倾角的测量精度。但加速度计无法直接提供姿态角中的航向角ψ的信息［７］。Ｃｈ