基于梯度下降和互補(bǔ)濾波的快速姿態(tài)解算算法研究.pdf

1、姿態(tài)測量技術(shù)，尤其是針對運動載體的姿態(tài)測量技術(shù)，在諸如導(dǎo)彈、航空航天、醫(yī)療器械、機(jī)器人等軍用和民用領(lǐng)域都有著非常重要的作用。目前使用最廣泛的姿態(tài)測量技術(shù)是基于捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)解算技術(shù)。高精度的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)都十分昂貴，不適合很多低成本需求。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，MEMS慣性傳感器（MEMS加速度計和MEMS陀螺儀）的精度和性能逐步提高，受益于MEMS器件體積小、成本低等優(yōu)點，基于捷聯(lián)式慣導(dǎo)技術(shù)的小體積、低成本姿態(tài)測量系統(tǒng)成為了可

2、能。近年來，對小體積、小重量、低價格的中低精度的消費級和工業(yè)級的捷聯(lián)式姿態(tài)測量系統(tǒng)的研究熱度越來越高。
　　本文以 InvenSense公司生產(chǎn)的集成了3軸陀螺儀和3軸加速度計的6DOF的整合性 MEMS器件 MPU6050為硬件基礎(chǔ)，基于捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)設(shè)計了一個嵌入式的低成本的雙軸姿態(tài)測量系統(tǒng)，設(shè)計了一種以互補(bǔ)濾波方法為基礎(chǔ)的陀螺儀與加速度計數(shù)據(jù)融合算法，并使用梯度下降方法對參與融合的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)優(yōu)化處理，以提高融合精度。
　

3、　一個捷聯(lián)式姿態(tài)測量系統(tǒng)，它的敏感器件至少由三個陀螺儀和三個加速度計構(gòu)成。本文首先概述了MEMS加速度計和MEMS陀螺儀的研究現(xiàn)狀，并闡述了捷聯(lián)慣導(dǎo)的基本概念。然后在幾種常用坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，引出了姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣和三個姿態(tài)角（俯仰角、橫滾角和航向角）的概念，并介紹了幾種常用的姿態(tài)更新算法以及它們的優(yōu)缺點。接著在四元數(shù)法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于梯度下降和互補(bǔ)濾波的快速數(shù)據(jù)融合算法，并與使用最廣泛的基于卡爾曼濾波的融合方法進(jìn)行對比。最后以飛思卡爾的

4、K10單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理器，給出各硬件模塊的設(shè)計方案以及理由，完成硬件設(shè)計，給出程序流程圖，介紹原始數(shù)據(jù)的濾波方法，以及所用到的部分參數(shù)和通訊協(xié)議，完成程序調(diào)試。
　　使用實驗室現(xiàn)有的條件，對本文設(shè)計完成的雙軸姿態(tài)測量模塊進(jìn)行實驗驗證。分別進(jìn)行動態(tài)實驗和靜態(tài)實驗，結(jié)合 matlab對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實驗結(jié)果表明：本文設(shè)計的雙軸姿態(tài)測量系統(tǒng)實時性好，輸出姿態(tài)角穩(wěn)定，且成本低，具有一定的實用價值，基于梯度下降和互補(bǔ)濾波的快速數(shù)據(jù)融合方