低阶线性Kalman滤波实时定姿算法的设计与实现

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1、2015年第1期导弹与航天运载技术No.12015总第337期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNo.337文章编号：1004-7182(2015)01-0079-05DOI：10.7654/j.issn.1004-7182.20150118低阶线性Kalman滤波实时定姿算法的设计与实现朱文杰，王广龙，高凤岐，乔中涛（军械工程学院纳米技术与微系统实验室，石家庄，050003）摘要：从Kalman滤波定姿算法的实时实现出发，设计一种降维Kalman滤波器。推导了加速度计、磁强计组合全方位姿态角的解算公式。基于四元数微分方程，采用四阶龙格-库塔法对陀螺仪

2、输出的角速率数据进行处理，建立了递推关系式，并以姿态四元数作为系统的状态矢量，构成四维Kalman滤波器。在DM3730Cortex-A8处理器平台上对算法进行实现和实验验证。实验结果表明，经过降维处理后的算法，显著降低算法的实现复杂度和计算量，滤波效果及实时性能均达到预期的目标，具有较强的实用性。关键词：卡尔曼滤波器；定姿；四元数；Cortex-A8；实时性中图分类号：TP274文献标识码：ADesignandImplementationofaLow-orderandLinearKalmanFilteringAlgorithmforReal-timeAttitudeDe

3、terminationZhuWen-jie，WangGuang-long，GaoFeng-qi，QiaoZhong-tao（LabofNanotechnologyandMicro-system,CollegeofMechanicalEngineering,Shijiazhuang，050003）Abstract:AdimensionalityreducedKalmanfilterisdesignedinthispaper,tosatisfythereal-timeimplementationoftheKalmanfilteringalgorithmforattituded

4、etermination.Afullrangeattitudeanglecalculatingformulaisderivedforaccelerometerandmagnetometer.Four-orderRunge-Kuttamethodbasedonquaterniondifferentialequationisusedtodisposetheoutputangularratedatafromgyroscope,andarecurrenceexpressionisestablished.Attitudequaternionischosenasthestatevec

5、torofthesystemtoformafour-dimensionalKalmanfilter.Finally,thewholealgorithmisrealizedandverifiedonDM3730Cortex-A8processorplatform.Theexperimentalresultsshowthatthedimensionalityreducedalgorithmsignificantlyreducestheimplementationcomplexityofthealgorithmandtheamountofcomputation,andthefi

6、lteringeffectandreal-timeperformancereachtheexpectedgoal,soithasgoodpracticality.KeyWords:Kalmanfilter;Attitudedetermination;Quaternion;Cortex-A8;Real-time0引言度、震动、磁场等环境因素影响的缺点，需要采用一定姿态确定在航空航天、军事、人体运动学分析、的处理算法对其测量输出进行处理，以消除误差和干消费类电子产品及机器人等众多领域有着广泛的应扰。[1~3]用。由微机电系统（MicroelectroMechanicalSys

7、tem，姿态估计常用的算法是Kalman滤波及其各种扩[4]MEMS）传感器组成的微惯性测量单元（MIMU），辅展和衍生形式，如EKF、UKF、联邦Kalman滤波等。以微磁强计组成的航向姿态参考系统（AHRS），可实现文献[3]使用UKF和互补滤波组合的方法对姿态估计对被测对象的全姿态参数进行测量。与传统的平台式定和陀螺仪误差补偿的方法进行了研究；文献[5]、[6]均姿系统及激光陀螺、光纤陀螺等定姿系统相比，AHRS采用与本文类似的传感器组成结构，但其滤波器均为7具有体积小、质量轻、功耗低、自主性强、系统实现简阶，且都需要事