基于卡尔曼滤波的航姿参考系统设计.pdf

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1、第29卷第4期传感技术学报Vo1．29No．42016年4月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSApr．2016DesignofAHRSBasedonKalmanFilterWUTao，BAIRu，ZHULiyao，QIANZhenghong(CenterforIntegratedSpintronicDevices，HangzhouDianziUniversity，Hangzhou310018，China)Abstract：AnewattitudedetectingsystembasedonKalmanfilterisdesignedf

2、ortheproblemoflowprecisionofatti-tudeangleinthetraditionAttitudeandHeadingReferenceSystem(AHRS)．Three-axismagneticsensor，three-axisae-celerometerandthree—axisgyroscopeareintegratedinthesystem．Anattitudeestimationmethodbasedonquaternionisadoptedtodescribetheattitudeofcarrier．Attitudequate

3、rnioniscalculatedbythegyroscope，andthedataofaceel—erometerandmagneticarefusedbyKalmanfiltertofixquaternionandimprovetheaccuracyofattitude．Theexperi-mentaldatashownthatthesystemcouldcompensatethedrifterrorofgyroscopebetter，therootmeansquareerrorofboththreeangleswrerbetterthan0．25。．andthea

4、bilityofnoisereductionwasbetterthanthetraditionAHRS．Keywords：sensor；ahrs；kalmanfilter；quaternion；gyroscope；accelerometer；magneticEEACC：7230；7310Fdoi：10．39690．issn．1004-1699．2016．O4．012基于卡尔曼滤波的航姿参考系统设计吴涛，白茹，朱礼尧，钱正洪(杭州电子科技大学磁电子中心，杭州310018)摘要：针对传统的航姿参考系统AHRS(AttitudeandHeadingReferenceSyste

5、m)中姿态角精度不高的问题，设计了一种新型的基于卡尔曼滤波的姿态检测系统。该系统采用了三轴磁传感器、三轴陀螺仪及三轴加速度计，用四元数的方法来描述载体运动的姿态，通过陀螺仪测姿态四元数，卡尔曼滤波算法融合加速度计和磁传感器数据，对姿态四元数进行修正，从而提高姿态解算精度。实验数据表明，系统能够较好修正陀螺仪漂移，且三个角度的均方根误差均优于O．25。，具有良好的噪声抑制能力。关键词：传感器；航姿参考系统；卡尔曼滤波；四元数；陀螺仪；加速度计；磁传感器中图分类号：TP2126文献标识码：A文章编号：1004—1699(2016)04—0531—05姿态检测系统是一种能够精

6、确测量载体在三场值，同样由坐标转换矩阵可以求出载体的航向维空间中姿态角的惯性测量系统。在三维空间中角。当这几个传感器分别独立工作时，都会由于一般用俯仰角、横滚角、航向角表示其姿态角信各自的局限性而导致较大偏差。卡尔曼滤波可以息。在军事、航空航天、航海等领域一般采用高精利用陀螺仪来预测姿态角，用加速度计和磁传感器度的机械陀螺仪或激光陀螺仪n，但是价格昂贵；随的数据来进行修正，将几个传感器优势互补，从而着消费电子产品的智能化程度不断提高，姿态检测解算出高精度的姿态数据。系统越来越多地应用于消费类的无人机、智能家电1姿态四元数原理等领域，价格低廉的MEMS传感器得到了广泛应用

7、’。然而，MEMS陀螺仪存在严重的零点漂移和设由运载体的机体轴确定的坐标系为b，惯导系随机误差，原始角速率在经过积分后解算的姿态角统所采用的导航坐标系为n，则由b系到n系的坐标精度较低，难以独立应用。三轴加速度计可以测量变换矩阵表示为C：，利用惯性器件的输出实时计算重力场矢量在载体坐标系下的加速度值，由坐标系出C：便可进行姿态更新。由于n系和b系均为直角转换矩阵可以求出载体的俯仰角和偏航角；三轴磁坐标系，且各轴之间始终保持垂直，因此，两坐标系传感器可以测量地磁场数据在载体坐标系下的磁的空间位置关系即可理解为刚体的定点转动。项目来源：浙江省