微機(jī)械慣性器件-GPS-磁強(qiáng)計(jì)組合航向姿態(tài)確定研究.pdf

1、在現(xiàn)代航空、航天、陸地車輛以及艦船的導(dǎo)航和控制上都需要確定載體的姿態(tài)。姿態(tài)確定中使用最廣泛的傳感器是陀螺，但是高昂的價(jià)格限制了傳統(tǒng)陀螺在某些場(chǎng)合的應(yīng)用。近年來(lái)，在汽車工業(yè)等的需求推動(dòng)下，微機(jī)械慣性傳感器獲得飛速發(fā)展。微機(jī)械陀螺與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺和光學(xué)陀螺相比具有成本低、體積小、重量輕、可靠性高和易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此具有更加廣泛的市場(chǎng)和更為廣闊的應(yīng)用前景。但是由于微機(jī)械陀螺的精度較低，長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)工作不能給出有效可靠的姿態(tài)信息，必須與其他

2、傳感器組合使用。針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究了微機(jī)械陀螺、微機(jī)械加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)和GPS組合姿態(tài)確定算法及由這些傳感器構(gòu)成的組合航姿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，提出了可行的解決方案。 傳感器誤差是影響姿態(tài)解算精度的主要因素。由于微機(jī)械陀螺、微機(jī)械加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的輸出含有高頻噪聲，直接采用輸出信號(hào)進(jìn)行誤差建模階次較高，而且不準(zhǔn)確，為此本文首先采用小波分析法對(duì)這些傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行消噪處理。然后，根據(jù)文中選用的微機(jī)械陀螺和加速度計(jì)的工作原理和輸

3、出信號(hào)誤差特點(diǎn)給出了誤差模型及模型參數(shù)辨識(shí)方法。最后，對(duì)磁強(qiáng)計(jì)和GPS的測(cè)量誤差進(jìn)行了分析。 補(bǔ)償陀螺漂移最常用的方法是卡爾曼濾波?？柭鼮V波狀態(tài)方程一般采用的是四元數(shù)微分方程和歐拉角微分方程，歐拉角微分方程計(jì)算量大，而且有奇點(diǎn)；四元數(shù)微分方程算法雖然計(jì)算量小、沒(méi)有奇點(diǎn)，但是不可交換誤差較大。為解決這一問(wèn)題，提出了一種基于姿態(tài)角誤差的互補(bǔ)卡爾曼濾波器，以及將該濾波器和等效旋轉(zhuǎn)矢量法相結(jié)合的算法。該算法利用加速度計(jì)的輸出判斷載體運(yùn)

4、動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)載體處于非加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)計(jì)算姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)中補(bǔ)償陀螺漂移。最后，證明了該算法的穩(wěn)定性。 本文研究了聯(lián)邦卡爾曼濾波在微機(jī)械陀螺、微機(jī)械加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)和GPS組合姿態(tài)確定中的應(yīng)用問(wèn)題。針對(duì)磁強(qiáng)計(jì)和GPS的測(cè)量信號(hào)受外部環(huán)境隨機(jī)擾動(dòng)的影響使濾波精度下降的問(wèn)題，本文采用了數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)中門限濾波技術(shù)，提出了一種基于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和聯(lián)邦卡爾曼濾波的組合姿態(tài)確定算法。 由于微機(jī)械陀螺精度較低，如果磁強(qiáng)計(jì)和GP