MARG姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)抗干擾算法研究.pdf

1、近年來，姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)在導(dǎo)彈、無人機(jī)、航空等軍用領(lǐng)域以及車載、人體姿態(tài)跟蹤、室內(nèi)機(jī)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(cè)量系統(tǒng)由于其小體積、低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注。MARG傳感器是由三軸加速度計(jì)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(duì)載體的姿態(tài)信息進(jìn)行測(cè)量。加速度計(jì)和磁傳感器組合可以補(bǔ)償陀螺儀零漂累積誤差。但是

2、在傳感器測(cè)量過程中會(huì)受到載體的有害加速度以及周圍局部磁場(chǎng)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(chǎng)干擾對(duì)姿態(tài)角解算精度影響是本文研究的主要問題。同時(shí)，傳感器系統(tǒng)誤差以及安裝誤差都會(huì)直接影響解算精度。由于傳感器較多，會(huì)存在三種傳感器坐標(biāo)不統(tǒng)一的問題，因此如何實(shí)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(gè)內(nèi)容。
　　本文針對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)三軸加速度計(jì)、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(duì)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(shí)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(cè)量系統(tǒng)為平臺(tái)，對(duì)三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀以及三軸磁傳感器進(jìn)行了標(biāo)定和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，利用該方法進(jìn)行誤差標(biāo)定，加

4、速度計(jì)、磁傳感器、陀螺儀誤差減小了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，滿足標(biāo)定精度的要求。該方法極大地減小了對(duì)精密標(biāo)定設(shè)備的依賴，同時(shí)該方法標(biāo)定步驟簡(jiǎn)單、易于操作。在傳感器測(cè)量過程中會(huì)受到有害加速度和周圍局部磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境干擾，從而導(dǎo)致傳感器測(cè)量不準(zhǔn)，最終導(dǎo)致姿態(tài)角解算不準(zhǔn)確。針對(duì)該問題，本文提出對(duì)加速度計(jì)和磁傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)超過某閾值時(shí)，認(rèn)為該傳感器信號(hào)無效，進(jìn)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(jìn)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(bǔ)濾波算法和自適應(yīng)梯度下降法。為了驗(yàn)證算法的有效性，以車載環(huán)境為例分別設(shè)計(jì)了不同干擾環(huán)境下的仿真實(shí)驗(yàn)。比較了傳統(tǒng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波、互補(bǔ)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)的干擾。同時(shí)，通過進(jìn)一步比較表明，自適應(yīng)互補(bǔ)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(shí)間小于采樣時(shí)間2.5ms，滿足實(shí)際解算要求。因此最終選取自適應(yīng)互補(bǔ)濾波算法作為加速度和磁場(chǎng)干擾環(huán)境下的姿態(tài)解算算法。最后，為了驗(yàn)證算法的實(shí)用性。分別設(shè)計(jì)了靜態(tài)無磁轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)車載實(shí)驗(yàn)。將傳統(tǒng)的只用陀螺儀解算姿態(tài)、由三軸加速度計(jì)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(bǔ)濾波算法三種姿態(tài)解算算法進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明自適應(yīng)互補(bǔ)濾波算法在補(bǔ)償

7、陀螺儀零漂累積誤差的同時(shí)有效地抑制了有害加速度和周圍局部磁場(chǎng)干擾對(duì)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(chǎng)干擾，三個(gè)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(dòng)態(tài)車載環(huán)境下，加入相應(yīng)的干擾，三個(gè)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(shí)驗(yàn)表明該算法可用于