多維MEMS慣性傳感器的姿態(tài)解算算法研究.pdf

1、姿態(tài)是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)體在某一特定的坐標(biāo)系下的空間位置信息的表示,一般用歐拉角來表示。姿態(tài)不能夠通過直接的測量獲得,需要利用目標(biāo)物體的各種運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合獲得,因此,精確的跟蹤或估計(jì)出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)在很多的領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的不斷發(fā)展,MEMS器件的性能和精度不斷地提高,其特有的體積小、重量輕、價(jià)格低等優(yōu)勢越發(fā)的在慣性姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)中得到研究人員的重視,尤其是在基于慣性傳感器的人體姿態(tài)跟蹤研究中。利用MEMS陀

2、螺和加速度計(jì)組成的IMU(慣性測量單元)系統(tǒng)在對人體進(jìn)行姿態(tài)跟蹤過程中往往很難保持準(zhǔn)確的航向角輸出,因此越來越多的研究傾向于利用慣性\磁傳感器的組合系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)估計(jì)。
　　首先,本文綜述了基于慣性技術(shù)的人體姿態(tài)解算的研究現(xiàn)狀,并對利用慣性傳感器進(jìn)行姿態(tài)解算研究中用到的一些基本理論進(jìn)行了簡單介紹,詳細(xì)介紹了幾種常用到的姿態(tài)解算算法并根據(jù)各種特點(diǎn)作了詳細(xì)的分析和比較。其次,對MEMS慣性傳感器和磁阻傳感器的工作原理進(jìn)行了簡單介紹,對各

3、傳感器輸出信號(hào)在姿態(tài)解算過程中的作用進(jìn)行了描述,根據(jù)各傳感器輸出信號(hào)的特性選擇合適的誤差模型,再根據(jù)各傳感器的誤差模型進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),確定穩(wěn)定的傳感器誤差系數(shù),對補(bǔ)償前后傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行比較。而后,分別描述了互補(bǔ)濾波器和卡爾曼濾波器的工作原理,對人體姿態(tài)解算研究中利用互補(bǔ)濾波器和卡爾曼濾波器進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上,針對人體姿態(tài)解算中常用的四元數(shù)法存在磁場突變引起的姿態(tài)角畸變問題,提出了能夠盡量減少畸變姿態(tài)角維數(shù)的,歐拉角法由于傾斜角

4、(橫滾角和俯仰角)與航向角求取過程的分離求取的特點(diǎn),使得傾斜角在外界磁場發(fā)生突變時(shí)不受干擾,同時(shí)對傳統(tǒng)歐拉角法姿態(tài)解算的過程中存在的奇異值問題進(jìn)行了改進(jìn),姿態(tài)解算過程利用卡爾曼濾波和擴(kuò)展卡爾曼濾波分兩種工作模式解算一般狀態(tài)姿態(tài)值和奇異值出現(xiàn)狀態(tài)姿態(tài)值。最后,設(shè)計(jì)了基于有標(biāo)記光學(xué)姿態(tài)測試系統(tǒng),利用光學(xué)姿態(tài)測試系統(tǒng)對磁傳感器進(jìn)行了羅差法標(biāo)定。利用基于有標(biāo)記光學(xué)姿態(tài)測試系統(tǒng),對基于本文改進(jìn)的歐拉角法姿態(tài)解算算法進(jìn)行姿態(tài)測試,并與基于四元數(shù)算法