CN112729280B - 一种基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于捷联惯性导航技术领域，具体涉及一种微惯性姿态测量装置及方法。一种基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置，包括微测量单元，所述微测量单元至少包括三个三轴加速度计；所述三个三轴加速度计分别呈20～70°空间夹角布置，并且相互之间的夹角角度相等。本发明设计的微惯性姿态测量装置，结构原理是将三个三轴加速度计分别按照倾斜20～70°的空间夹角布置，这样针对空间内的随机运动，在三维空间里保证至少会有一个面上的三轴加速度计不会因为运动轴上的加速度相对于其他轴权重过小，而导致难以辨识载体运动中的小幅渐变加速度，进而引起姿态计算误差过大的现象，这样同时也能够及时的捕捉到重力加速度所测定的水平面。

Description

一种基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置及方法

技术领域

本发明属于捷联惯性导航技术领域，具体涉及一种微惯性姿态测量装置及方法。

背景技术

在基于微惯性测量单元(MIMU)的航姿参考系统(AHRS)研究中，目前针对运动加速度的干扰以及分离方法，通常是利用加速度计测量值与重力加速度的比较这一基本过程来计算加速度计测量中的运动干扰，从而放大或缩小滤波器中的噪声协方差矩阵，以此达到抑制运动干扰的目的。由于重力加速度在三轴加速度计中的分布通常是不均匀的，权重过小的运动轴上的运动加速度无法在比较中被敏感的表现出来，同时低成本的微惯性陀螺仪不同于高端的光纤或是激光陀螺仪，误差累积的过程非常迅速，使得航姿参考系统短时间内完整准确的辨识和分离小幅渐变加速运动变得十分困难。

发明内容

本发明的目的是解决微惯性测量单元在姿态解算的过程中面对小幅渐变加速度干扰难以准确的辨识和分离，从而影响载体运动姿态测量精度的问题，提供一种基于多面体阵列结构的微惯性姿态测量装置及方法，可以平衡重力加速度在各个加速度计上的投影，准确捕捉小幅渐变加速度的运动过程，同时在融合滤波方法上采用分立式多阶卡尔曼滤波结构，避免线性化观测方程，准确估计运动误差模型，保证系统稳定可靠运行。

为了实现上述目的，本发明采用的其中一种技术方案是：一种多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置，包括微测量单元，所述微测量单元至少包括三个三轴加速度计；所述三个三轴加速度计分别呈20～70°空间夹角布置，并且相互之间的夹角角度相等。

作为本发明的一种优选方式，其中一个三轴加速度计位于水平面上，其他两个三轴加速度计位于与所述水平面相交的斜面上。

作为本发明的一种优选方式，所述的微测量单元还包括三轴陀螺仪。

进一步优选地，所述的微测量单元还包括三轴磁强计。

进一步优选地，所述的微测量单元还包括电路板。

进一步优选地，所述的装置还包括处理器控制单元，所述的微测量单元与所述的处理器控制单元连接。

作为本发明的一种优选方式，所述的装置还包括多面体台体结构，所述多面体台体结构至少有两个相邻侧面的夹角、以及该两个侧面与其中一个底面的夹角为20～70°，且相互之间的夹角角度相等；三个三轴加速度计分别安装在所述多面体台体结构的相邻两个侧面及其中一个底面上。

本发明还提供了一种基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量方法，包括：

(1)利用基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置，获得原始测量数据，并对原始数据进行校正；

(2)根据校正后的测量数据，采用两个分立的卡尔曼滤波器实时计算出状态量

和

(3)对状态量

和

进行计算，获得姿态数据。

进一步优选地，所述两个分立的卡尔曼滤波器模型为：

其中，

分别是三轴陀螺仪校准后的测量值；

分别是三轴陀螺仪测量噪声的方差，R_g,k为加速度计测量噪声方差矩阵，R_m,k为磁传感器测量噪声方差矩阵。

进一步优选地，在卡尔曼滤波融合的过程，分别计算三个三轴加速度计合力与重力加速度值的差异：α₁＝|||f₁ ^b||₂-g|，

取最大值max(α₁,α₂,α₃)；然后统计计算出静止时加速度计的噪声波动幅度H，以及静止时陀螺姿态姿态漂移的时间，将三者结合作为自适应调节滤波器K值的系数。

本发明与现有技术相比，优势在于：

(1)本发明设计的微惯性姿态测量装置采用基于多面体阵列结构的空间模型，模型的结构原理是将三个三轴加速度计分别按照倾斜20～70°的空间夹角布置，这样针对空间内的随机运动，在三维空间里保证至少会有一个面上的三轴加速度计不会因为运动轴上的加速度相对于其他轴权重过小，而导致难以辨识载体运动中的小幅渐变加速度，进而引起姿态计算误差过大的现象，这样同时也能够及时的捕捉到重力加速度所测定的水平面，帮助陀螺姿态进行误差补偿，避免长时间积分而造成误差累积。

(2)本发明在融合滤波方法上采用分立式多阶卡尔曼滤波结构，直接采用加速度计和磁传感器的测量值作为两个分立滤波器的观测量，避免了线性化测量方程。在姿态融合的过程中，分别计算三个面上的三轴加速度计合力与重力加速度值的差异，将最大的差异值与加速度计噪声值以及陀螺角度漂移时间作为自适应调节的滤波系数，使得整个滤波系统对运动过程中的误差估计更加实时准确。

附图说明

图1为本发明实施例中基于多面体阵列结构的空间模型示意图；

图2为本发明实施例中基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置的结构爆炸图；

图3是本发明实施例中基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置的工作原理示意图；

图4为本发明实施例中基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

实施例1本发明基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置的其中一种实施例，参见图1和图2，主要由正四棱锥六面体1、微惯性测量单元和处理器控制单元13组成。其中微惯性测量单元主要由三轴陀螺仪3、三轴磁强计4、第一三轴加速度计8、第二三轴加速度计10、第三三轴加速度计14、以及四块电路板构成。

正四棱锥六面体1为对称结构，其中相邻侧面之间的夹角、侧面与顶面和底面的夹角均为60度。第一斜面电路板7和第二斜面电路板11分别通过4个无磁螺丝5和螺柱6固定在正四棱锥六面体1的相邻的两个侧面上。顶面电路板2、底面电路板12分别通过4个无磁螺丝5和螺柱6固定在正四棱锥六面体1的顶面、底面上。

第一三轴加速度计8、第二三轴加速度计10、第三三轴加速度计14分别安装在第一斜面电路板7、第二斜面电路板11和底面电路板12上。在底面电路板是12上还安装有处理器控制单元13。三轴陀螺仪3和三轴磁强计4安装在顶面电路板2上。

参见图3，三轴陀螺仪3、三轴磁强计4、第一三轴加速度计8、第二三轴加速度计10、第三三轴加速度计14、以及四块电路均与处理器控制单元13连接。

处理器控制单元13是整个系统的控制中心，由单片机、通信接口构成，单片机可选ARM、DSP等微处理器。通信接口为串口，I2C或者SPI。把微惯性测量单元采集的原始数据通过电路板传给处理器，经处理器中的算法模块处理后，通过UART或RS232/485对外输出结果。

本实施例中，三轴陀螺仪、、三个三轴加速度计、及三轴磁强计均为中低成本MEMS芯片。

实施例2本实施例提供一种微惯性姿态测量方法，该方法通过实施例1的基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置予以实现。

参见图4所示的流程图，该方法的具体步骤如下：

步骤S21：微惯性测量单元采集数据

微惯性测量单元在使用之前需要经过严格标定，将标定后的参数存储在处理器控制的FLASH中，系统上电后首先提取存储器中的标定参数，然后与传感器原始数据如角速度数据、加速度数据、磁场数据联合计算，获得校准后测量数据。

步骤S22分立式多阶卡尔曼滤波

获得经校准的传感器测量数据以后，进入控制器处理单元，通过两个分立的卡尔曼滤波器实时计算出状态量

和

滤波器的结构和更新过程如下：两个分立的离散卡尔曼滤波器模型结构分别为

步骤S23自适应滤波系数计算

同时，获得经校准的传感器测量数据以后，计算卡尔曼滤波融合过程的自适应滤波系数。

首先，分别计算三个面上的三轴加速度计合力与重力加速度值的差异：α₁＝|||f₁ ^b||₂-g|，

取最大值max(α₁,α₂,α₃)，

然后，统计计算出静止时加速度计的噪声波动幅度H，以及静止时陀螺姿态姿态漂移的时间(如1度漂移所需的时间S)，将三者结合作为自适应调节滤波器K值的系数：

其中η取值为0.1～0.8之间，在公式(3)中当max(α₁,α₂,α₃)≥ηH·S时，表示运动载体处于运动状态，系统观测方程运动干扰较大，此时卡尔曼滤波器K值系数为零，完全由陀螺仪进行状态方程的更新，当max(α₁,α₂,α₃)＜ηH·S时，表示运动载体处于准静止状态，系统进入姿态融合过程，由β值通过实时调节K值来提升姿态融合的效率。

S24姿态计算

通过步骤S22和S23以后，此时两个分立的卡尔曼滤波器可以实时输出状态量

和

通过状态量

和

计算姿态信息。

首先，利用当地坐标系(n系)到载体坐标系(b系)的转换矩阵

有

即：

其中

为重力加速度值，ψ,θ,φ分别为方位角、俯仰角和横滚角。进一步化简计算得到载体的俯仰角θ和横滚角φ，结果如下：

然后，利用磁地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵

有

其中M^m＝[M_N 0 M_D]^T，ψ_m为磁地理坐标系对应当地坐标系的磁方位角。将公式(4)得出的俯仰角θ和横滚角φ代入

中，得：

将上式进一步整理得磁方位角ψ_m：

其中，

最后，载体相对于地理坐标系真北的方位角为ψ＝ψ_m+Δψ，Δψ为磁偏角。

步骤S25姿态输出

完成步骤S24姿态计算之后，将方位角ψ、俯仰角θ和横滚角φ信息通过处理器控制单元，按照通信协议对外输出。

Claims (7)

1.一种基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置，包括微测量单元和多面体台体结构，其特征在于：所述微测量单元包括三个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪；所述三个三轴加速度计分别呈20～70°空间夹角布置，并且相互之间的夹角角度相等；所述多面体台体结构至少有两个相邻侧面的夹角、以及该两个侧面与其中一个底面的夹角为20～70°，且相互之间的夹角角度相等；三个三轴加速度计分别安装在所述多面体台体结构的相邻两个侧面及其中一个底面上；三轴陀螺仪安装在顶面；三个三轴加速度计用于平衡重力加速度在各个加速度计上的投影；及时的捕捉到重力加速度所测定的水平面，帮助陀螺姿态进行误差补偿。

2.根据权利要求1所述的基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置，其特征在于：所述的微测量单元还包括三轴磁强计。

3.根据权利要求1所述的基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置，其特征在于：所述的微测量单元还包括电路板。

4.根据权利要求1所述的基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置，其特征在于：还包括处理器控制单元，所述的微测量单元与所述的处理器控制单元连接。

5.一种基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量方法，其特征在于，包括：

(1)利用如权利要求1所述的基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量装置，获得原始测量数据，并对原始数据进行校正；

(2)根据校正后的测量数据，采用两个分立的卡尔曼滤波器实时计算出状态量

和

(3)对状态量

和

进行计算，获得姿态数据。

6.根据权利要求5所述的基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量方法，其特征在于，所述两个分立的卡尔曼滤波器模型为：

其中，

分别是三轴陀螺仪校准后的测量值；

分别是三轴陀螺仪测量噪声的方差，R_g,k为加速度计测量噪声方差矩阵，R_m,k为磁传感器测量噪声方差矩阵。

7.根据权利要求6所述的基于多面体式阵列结构的微惯性姿态测量方法，其特征在于，在卡尔曼滤波融合的过程，分别计算三个三轴加速度计合力与重力加速度值的差异：α₁＝|||f₁ ^b||₂-g|，

取最大值max(α₁,α₂,α₃)；然后统计计算出静止时加速度计的噪声波动幅度H，以及静止时陀螺姿态姿态漂移的时间，将三者结合作为自适应调节滤波器K值的系数。

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