基于UKF的MEMS传感器姿态测量系统.pdf

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1、第24卷第5期传感技术学报Vo1．24No．52011年5月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSMav2011MEMSSensorsBasedAttitudeMeasurementSystemUsingUKFZHAOHe，WANGZheyao(b~tituteofMicroelectronics，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)Abstract：Tosatisfytherequirementsofindustryandciviluse，attitudemeasurement

2、system，basedonMEMSaccel—erometer，gyroscopeandmagnetometer，isproposed．UnscentedKalmanFilter(UKF)isusedtofusethedata．Tosolvethedriftofgyroscopeandinaccuracyindynamicusingaccelerometerandmagnetometerunit，theUKF，basedOilrotationmatrix，isaddressedtocombinetheadvantagesofthe1womeasure

3、mentmethodsandtoovercomethefauhsofeachother’s．Theaccumulatede／TOTSayecallbratedandtheaccuracyisimprovedinstaticstate．andthefaultsindynamicstatearecompensated．Theexperimentalresultsshowthattheattitudesystemcanachievehighac—curacy．Sincethedataacquisitionandfilteringareimplementedb

4、ytheembeddedsystem，oursystemcanworkinrealtime．Keywords：inertialnavigation；attitudedetermination；MicroElectroMechanicalSystem(MEMS)；unscentedKalmanfilter(UKF)EEACC：7630；7230；7630doi：10．3969／j．issn．1004-1699．2011．05．004基于UKF的MEMS传感器姿态测量系统冰赵鹤，王拈矗(清华大学微电子学研究所，北京100084)摘要：针对工业和民用领域对姿

5、态测量的需求，提出了基于MEMS加速度计、陀螺仪和磁强计的姿态测量系统，并采用无先导卡尔曼滤波(UnscentedKalmanFilter，UKF)方法处理传感器数据。针对基于加速度计和磁强计的姿态测量方式在动态测量时不准确的问题和单独采用陀螺仪测量角度产生漂移的问题，设计了基于方向旋转矩阵的UKF滤波器：结合两种测量方式的优点，互相克服各自的不足。经过UKF处理后：在静态测试中，测量系统没有积累误差；在动态测试中，陀螺仪补偿了加速度计和磁强计测量方法的中产生的毛刺。实验结果表明，所设计的姿态系统可以达到很高的精度；通过嵌人式系统完成数据采集和滤波，姿

6、态测量系统具有很好的实时性。关键词：惯性导航；姿态测量；微机电系统(MEMS)；无先导卡尔曼滤波(UKF)中图分类号：．rP212．9；V249文献标识码：A文章编号：1O04—1699(2011)05—0642—05姿态测量在航天航空¨、机器人、人体运动姿算物体的姿态角。这种方法的优点在于姿态角没有态捕捉等方面都有着广泛的应用。随着MEMS积累误差，但是这种方法是利用物体在静态下只受技术的发展，与传统的传感器相比，MEMS传感器体到重力特性来计算横滚角和俯仰角，航向角是利用积更小、质量轻、功耗更低，这使得体积微小的姿态加速度计测量的横滚角、俯仰角和地

7、磁矢量恒定的测量系统有了更加广泛的应用。特性来计算。在静态下，这种方法可以达到很好的‘角度测量最直接的方法就是利用陀螺仪测量精度，但是由于在动态下，物体除了受到重力外，也的角速度对时间进行积分，但是陀螺仪测量角度存会受到其他外力的影响导致姿态角计算不准确。在积累误差，使得无法用陀螺仪对角度进行长时间AnthonyKim等人用四元数来表示姿态角，虽然测量。Beno~tHuyghe等人利用加速度计和磁强四元数可以减少计算量，但是四元数需要更多的存计直接测量重力场和地磁场，通过方向余弦矩阵计储空间且不易使用，而欧拉角表示更直观易懂，便于项目来源：ABB(中国

8、)有限公司研究中心项目收稿日期：2010—12—14修改日期：2011—0t一18第5期赵鹤，