基于卡尔曼滤波器的姿态角测量系统设计.pdf

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1、电子测量技术第３７卷第１期研究与设计ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４年１月基于卡尔曼滤波器的姿态角测量系统设计徐梓皓周召发孙立江（第二炮兵工程大学西安７１００２５）摘要：针对动态环境下载体的姿态测量，以无人机的航姿测量系统小型化为背景，给出了一种采用ＭＥＭＳ惯性器件构成的姿态角测量系统。系统采用新型３２位ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核微控制器ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６作为控制处理单元，传感器采用ＡＤＸＬ３４５加速度计、Ｌ３Ｇ４２００Ｄ陀螺仪和ＨＭＣ５８８３磁阻传感器。对于ＭＥＭＳ器件精度低，数据易发散的问题，采用卡尔曼滤波

2、器实时将加速度计、陀螺仪和磁强计的数据进行融合，计算负担小，实时性好。实验结果表明，该姿态测量系统在静态和动态环境下都能够较好的完成载体姿态测量的任务。关键词：卡尔曼滤波；姿态测量；微机电系统（ＭＥＭＳ）；ＳＴＭ３２；航姿参考系统（ＡＨＲＳ）中图分类号：Ｕ６６６．１文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：５９０．３５ＡｔｔｉｔｕｄｅｍｅａｓｕｒｅｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＫＦＸｕＺｉｈａｏＺｈｏｕＺｈａｏｆａＳｕｎＬｉｊｉａｎｇ（ＴｈｅＳｅｃｏｎｄＡｒｔｉｌｌｅｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ７１００２５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：

3、Ｔｏｏｂｔａｉｎａｔｔｉｔｕｄｅｉｎｄｙｎａｍｉｃｓｔａｔｅ，ａｎＭＥＭＳｓｅｎｓｏｒｓｂａｓｅｄａｔｔｉｔｕｄｅｍｅａｓｕｒｅｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇＫＦｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｔａｋｅｓｔｈｅ３２ｂｉｔｓｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｓｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ｃａｌｃｕｌａｔｅｓａｎｄｇｅｔｓｔｈｅａｔｔｉｔｕｄｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｏｆｇｒａｖｉｔｙ，ｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎｏｆｐｌａｔｆｏｒｍａｎｄｔｈｅｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆ

4、ｔｈｅｅａｒｔｈｏｎｅａｃｈａｘｉｓｗｉｔｈＭＥＭＳａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ＭＥＭＳｇｙｒｏａｎｄＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｉｃｓｅｎｓｏｒ．Ｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｓｕｃｈａｓｌｏｗｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｅａｓｙｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ，ａＫＦｆｉｌｔｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｂｙｗｈｉｃｈｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ，ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｓａｎｄｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓｉｓｆｕｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｅｓｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄｅｒｒｏｒｓａｒｅｅｌｉｍｉｎａｔ

5、ｅｄｉｎｓｔａｔｉｃｓｔａｔｅａｎｄｔｈｅｅｒｒｏｒｓｉｎｄｙｎａｍｉｃｓｔａｔｅａｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＫＦ；ａｔｔｉｔｕｄｅ；ＭＥＭＳ；ＳＴＭ３２；ＡＨＲＳ话，陀螺的漂移引起的误差将越来越大。文献［６］提出了１引言基于ＭＥＭＳ加速度计、陀螺仪、磁强计的姿态测量系统，采用ＫＦ进行数据融合，并且利用加表的输出判断载体运小型无人机在国防建设和国民经济中有十分重要动状态。文献［７］中描述的系统硬件结构与［６］大体相同，的应用，而姿态的精确测量则是获得良好的飞行品质的但采用的ＵＫＦ滤波算法，并且没有针对载体的运动状况基础。集成度高、体积小、

6、重量轻的ＭＥＭＳ传感器是完成微型姿态测量系统的最佳选择，但同时这类传感器还进一步处理。文献［８］提出了一种基于ＭＥＭＳ加速度计、有着固有的缺陷：ＭＥＭＳ陀螺的漂移比较大，虽然短期磁阻传感器的方法，该方法的姿态角度解算简单，而且无动态特性好，但长期的累积误差非常大；根据ＭＥＭＳ加积累误差，但无法有效地抑制动态环境下数据中的噪声。文献［１０］所设计的系统与［６］的的硬件结构相似，不同之处速度计和ＭＥＭＳ磁阻传感器解算的姿态角无累积误在于在［９］这里采用了ＥＫＦ进行数据的处理［１０］，除了采用差，静态条件下测量精度高，但在动态条件下可信度有大幅的下降［１］。因此，

7、采用合适的数据融合算法提高ＥＫＦ进行数据融合之外还考虑了在不同运动状态下的ＭＥＭＳ姿态测量系统的精度和实时性成为了目前的研补偿。究热点［２－４］。利用ＭＥＭＳ惯性器件构建了小型的惯性测量单元；提文献［５］提出了使用微固态角速率陀螺的方法，将陀出一种基于卡尔曼滤波的数据融合方法，对不同传感器得螺输出直接积分，此法简单，计算量也比较小，且通过角速到的航姿信息进行融合，并用实验验证算法的可行性和系度积分获得的估计不受载体加速度的影响，但长期使用的统的性能。收稿日期：２０１３－０７·１·第３７卷电子测量技术２．２加速度计模块设计２系统实现加速度计采用ＡＤ公司生产的Ｍ

8、ＥＭＳ三轴数字加速度计ＡＤＸＬ３４５［１１］。ＡＤＸ