針對(duì)MEMS陀螺零偏導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)載體姿態(tài)精度下降的問題,本文以MEMS慣性測(cè)量器件MPU6050為核心,提出了一種基于改進(jìn)型卡爾曼濾波的姿態(tài)估計(jì)算法。采用歐拉角作為姿態(tài)解算的基礎(chǔ),通過慣性測(cè)量單元（IMU）測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)數(shù)據(jù),采用改進(jìn)型卡爾曼濾波,對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,并實(shí)時(shí)估計(jì)陀螺零偏。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的算法能夠獲得較高精度的姿態(tài)信息,抑制MEMS陀螺零偏引起的姿態(tài)發(fā)散,可以準(zhǔn)確地表示運(yùn)動(dòng)載體在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下的方位。 

【文章來源】：傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2020,33(09)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

真實(shí)姿態(tài)角與估計(jì)姿態(tài)角

圖1 真實(shí)姿態(tài)角與估計(jì)姿態(tài)角圖2展示了陀螺零偏隨時(shí)間變化的過程。從圖2可以看到,由于假設(shè)估計(jì)陀螺儀的初始零偏為0,因此濾波器需要經(jīng)過6 s左右的時(shí)間來估計(jì)陀螺儀的恒定偏差,該偏差在陀螺儀的測(cè)量模型中設(shè)置為0.1 °/s,因此估計(jì)誤差在前6 s內(nèi)變化幅度較大。表2分別給出了改進(jìn)型卡爾曼濾波、四元數(shù)卡爾曼濾波和互補(bǔ)濾波算法仿真結(jié)果的數(shù)值分析,由表可知,互補(bǔ)濾波計(jì)算的姿態(tài)角誤差最大值為5.3°,標(biāo)準(zhǔn)差約為2.9°,四元數(shù)卡爾曼濾波計(jì)算的姿態(tài)角的最大估計(jì)誤差約3.5°,標(biāo)準(zhǔn)差約1.5°,而改進(jìn)型卡爾曼濾波計(jì)算的姿態(tài)角的最大估計(jì)誤差僅有0.560 9°,標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.4°。由此對(duì)比仿真結(jié)果表明,本文基于陀螺零偏的卡爾曼濾波算法在模擬仿真?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)的姿態(tài)估計(jì)中具有不錯(cuò)的效果。但是由于模擬搖擺實(shí)驗(yàn)均在低頻和排除外部干擾的情況下進(jìn)行,并不能完全說明算法在復(fù)雜的實(shí)際情況下的可行性。為了證明算法的可行性,還需進(jìn)行實(shí)況下的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

為了驗(yàn)證算法的正確性與可行性,本文搭建了基于STM32的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng),主要由姿態(tài)傳感器、控制器、電源和上位機(jī)等模塊組成。其中,三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)構(gòu)成了姿態(tài)傳感器,選用MPU6050芯片,其性能指標(biāo)見表2。傳感器數(shù)據(jù)通過I2C總線與控制器連接,經(jīng)控制器處理后的姿態(tài)數(shù)據(jù)通過串口收發(fā)模塊傳送回上位機(jī),串口波特率為500 kbit/s,最后在MATLAB中對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。表3 MPU6050性能指標(biāo) 陀螺儀/(°/s) 加速度計(jì)/gn 量程零偏穩(wěn)定性 ±250-±2 000±20 ±2～±16±0.05

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[2]捷聯(lián)慣導(dǎo)互補(bǔ)濾波姿態(tài)融合算法設(shè)計(jì)[J]. 杜瑾,趙華超,鄭哲,王祥,司迎利.  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2018(10)
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碩士論文
[1]基于卡爾曼濾波算法的動(dòng)態(tài)諧波狀態(tài)估計(jì)技術(shù)研究[D]. 祝石厚.重慶大學(xué) 2008



本文編號(hào)：3010186