基于陀螺仪和加速度计的帆船运动姿态测量

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1、第12卷第2期太赫兹科学与电子信息学报Vo1．12，No．22014年4月JournalofTerahertzScienceandElectronicInformationTechnologyApr．，2014文章编号：2095-4980(2014)02-0183-07基于陀螺仪和加速度计的帆船运动姿态测量11221苏菲，尚德重，汪建波，刘小马，朱谦(1.复旦大学信息科学与工程学院，上海200433；2.上海市水上运动中心，上海201713)摘要：针对帆船运动姿态监测的需求，设计并实现了一个基于微机电系统(MEMS)陀螺仪和加速度传感器的运动姿态实时测量系统。多传感器的

2、数据融合，实现了姿态测量高准确度的要求。应用陀螺仪传感器监测船体姿态角度可避免因船体变速运动而导致的测量偏差；利用加速度传感器测量数据可有效消除陀螺仪的漂移误差和累积计算误差；采用加权时变的卡尔曼滤波作为数据融合方法有效地提高了姿态角度测量的精确度和稳定性。该方法已成功应用于Laser帆船运动姿态o实时测量系统中，测量精确度达到了±1。关键词：姿态测量；陀螺仪；加速度传感器；动态角度测量；误差补偿；卡尔曼滤波；最优估计中图分类号：TN301；TP274.2文献标识码：Adoi：10.11805/TKYDA201402.0183Ameasurementmethodofsa

3、ilingattitudebasedonMEMSgyroscopeandaccelerometer11221SUFei，SHANGDe-zhong，WANGJian-bo，LIUXiao-ma，ZHUQian(1.SchoolofInformationScienceandTechnology，FudanUniversity，Shanghai200433，China；2.ShanghaiAquaticSportsCenter，Shanghai201713，China)Abstract：Tomeettherequirementsformonitoringthesailing

4、attitude,areal-timesailingattitudemeasurementsystemisdesignedandimplementedbasedonMicroElectroMechanicalSystems(MEMS)gyroscopeandaccelerometer.Multi-sensordatafusionachievesthehighaccuracyofattitudemeasurement.Theapplicationofgyroscopecanavoidmeasurementdeviationscausedbysailingvariablem

5、otions.Theutilizationofaccelerometercaneffectivelyeliminategyrodrifterrorsandcumulativecalculationerrors.Time-variantKalmanfilter，asthemethodofdatafusion，canimprovetheattitudemeasurementprecisionandstabilitygreatly.Themeasurementmethodhasbeensuccessfullyappliedtothereal-timeattitudeomeas

6、urementsystemofLaserSailingwithaprecisionupto±1.Keywords：attitudemeasurement；gyro；accelerometer；dynamicattitudemeasurement；errorcompensation；Kalmanfilter；optimalestimation帆船运动是利用风和水流对船帆和船体的作用力推动船体前进的，在行进过程中调整和控制好船体的姿态尤为重要，船体的左右倾斜或前后俯仰角度过大会很大程度地影响帆船的运动效率，从而影响帆船的前进速度。以往帆船运动训练中，教练员只能凭借目测来判断

7、某个运动员技术动作的规范性和船体的平衡性，训练和指导难度大，缺乏科学的数据依据。因此在帆船比赛或训练过程中对船体姿态进行准确的实时监测与警示，能帮助运动员快速提高竞技水平，还能够提高训练指导的科学化程度，促进我国帆船运动水平的提高。帆船运动姿态实时测量系统在水上运动项目中有着良好的应用前景。近年来，随着MEMS技术的发展，加速度和陀螺仪传感器以其高性能、小尺寸、低能耗、重量轻、可靠性高[1–4]等优点，在低成本惯性姿态导航系统中获得了广泛的应用。在惯性状态中，一般采用三轴加速度传感器，以地球引力方向为基准，根据重力加速度在3个感应轴上的分