MARG姿態(tài)測量系統(tǒng)抗干擾算法研究.pdf

1、近年來，姿態(tài)測量系統(tǒng)在導(dǎo)彈、無人機、航空等軍用領(lǐng)域以及車載、人體姿態(tài)跟蹤、室內(nèi)機器人等民用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。基于MARG（Magnetic，Angular Rate，and Gravity）傳感器多源信息組合姿態(tài)測量系統(tǒng)由于其小體積、低功耗、低成本的優(yōu)點受到越來越多的關(guān)注。MARG傳感器是由三軸加速度計傳感器、三軸陀螺儀傳感器和三軸磁傳感器組合而成，用于對載體的姿態(tài)信息進行測量。加速度計和磁傳感器組合可以補償陀螺儀零漂累積誤差。但是

2、在傳感器測量過程中會受到載體的有害加速度以及周圍局部磁場等惡劣環(huán)境的干擾。如何利用算法有效地減小有害加速度和磁場干擾對姿態(tài)角解算精度影響是本文研究的主要問題。同時，傳感器系統(tǒng)誤差以及安裝誤差都會直接影響解算精度。由于傳感器較多，會存在三種傳感器坐標(biāo)不統(tǒng)一的問題，因此如何實現(xiàn)傳感器誤差統(tǒng)一標(biāo)定，解決傳感器坐標(biāo)軸統(tǒng)一的問題是本文研究的另一個內(nèi)容。
　　本文針對MARG傳感器存在的零偏、靈敏度和不正交角誤差，提出了基于橢球擬合的系統(tǒng)誤差

3、標(biāo)定方法，利用該方法可以實現(xiàn)對三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁傳感器的零偏、靈敏度和不正交角誤差的統(tǒng)一標(biāo)定。針對三種傳感器坐標(biāo)系不統(tǒng)一的問題，本文提出在橢球擬合標(biāo)定結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用四位置法將三軸傳感器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到封裝殼體坐標(biāo)系下，實現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。最后以MPU6050傳感器模塊和HMC5883L組成的MARG傳感器測量系統(tǒng)為平臺，對三軸加速度計、三軸陀螺儀以及三軸磁傳感器進行了標(biāo)定和相關(guān)的實驗驗證。實驗表明，利用該方法進行誤差標(biāo)定，加

4、速度計、磁傳感器、陀螺儀誤差減小了至少一個數(shù)量級，滿足標(biāo)定精度的要求。該方法極大地減小了對精密標(biāo)定設(shè)備的依賴，同時該方法標(biāo)定步驟簡單、易于操作。在傳感器測量過程中會受到有害加速度和周圍局部磁場等惡劣環(huán)境干擾，從而導(dǎo)致傳感器測量不準(zhǔn)，最終導(dǎo)致姿態(tài)角解算不準(zhǔn)確。針對該問題，本文提出對加速度計和磁傳感器測量信號進行判斷，當(dāng)超過某閾值時，認為該傳感器信號無效，進而在融合算法中舍去該傳感器的信息，即去除有害信息，保留有效信息。之后再進行算法重構(gòu)從

5、而提高系統(tǒng)抗干擾能力。在此基礎(chǔ)上分別提出了自適應(yīng)卡爾曼濾波算法、自適應(yīng)互補濾波算法和自適應(yīng)梯度下降法。為了驗證算法的有效性，以車載環(huán)境為例分別設(shè)計了不同干擾環(huán)境下的仿真實驗。比較了傳統(tǒng)的擴展卡爾曼濾波、互補濾波以及梯度下降法與本文提出的三種自適應(yīng)抗干擾算法的解算效果。仿真實驗表明，三種自適應(yīng)算法均能有效減小有害加速度和周圍局部磁場的干擾。同時，通過進一步比較表明，自適應(yīng)互補濾波算法比自適應(yīng)卡爾曼濾波以及梯度下降法抗干擾性好，四種情況下偏

6、航角誤差最大值在0.8°以內(nèi)，俯仰角和滾轉(zhuǎn)角誤差最大值在0.5°以內(nèi)，且單次采樣解算時間小于采樣時間2.5ms，滿足實際解算要求。因此最終選取自適應(yīng)互補濾波算法作為加速度和磁場干擾環(huán)境下的姿態(tài)解算算法。最后，為了驗證算法的實用性。分別設(shè)計了靜態(tài)無磁轉(zhuǎn)臺實驗和動態(tài)車載實驗。將傳統(tǒng)的只用陀螺儀解算姿態(tài)、由三軸加速度計和三軸磁傳感器組成的電子羅盤姿態(tài)解算以及本文提出的自適應(yīng)互補濾波算法三種姿態(tài)解算算法進行對比。結(jié)果表明自適應(yīng)互補濾波算法在補償

7、陀螺儀零漂累積誤差的同時有效地抑制了有害加速度和周圍局部磁場干擾對姿態(tài)角解算精度的影響。靜態(tài)環(huán)境下，加入有害加速度和磁場干擾，三個姿態(tài)角解算誤差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差小于0.4°。相比于電子羅盤解算，誤差分別減小了74.6％，93.8%，74.2%。動態(tài)車載環(huán)境下，加入相應(yīng)的干擾，三個姿態(tài)角誤差均值分別為：偏航角3.25°，俯仰角0.58°，滾轉(zhuǎn)角0.48°。相比于電子羅盤解算，誤差分別減小了77.5%，95%，46.6%。實驗表明該算法可用于