一种面向机动的低成本姿态测量系统.pdf

第20卷第10期传感技术学报Vol.20No.10
2007年10月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSOCT.2007

LowCostAttitudeDeterminationSystemforAcceleratedRigidBodies3

XUYu,LIPing3,HANBo
(InstituteofIndustrialProcessControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:Translationalaccelerationmayaffectaccelerometeroutputandwillresultinperformancereductionof
accelerometerandmagnetometerbasedattitudedeterminationsystem.Tocompensatefortheacceleration
effect,theGPS2derivedaccelerationwasintroducedtocorrectthegravityfieldvector.Aniterativeleastsquare
attitudeestimatorwasdeveloppedtodeterminetheMRPsattitudefromthegravityfieldandmagneticfieldvec2
torobservations.Theattitudewasthenfusedwiththemeasurementsofrategyrosusingcomplementaryfilter.
Theexperimentalresultshaveshownthattheproposedattitudedeterminationsystemcanimprovethemeas2
urementaccuracymarkedlyduringmaneuvers,themeasurementaccuracyachieves3°.
Keywords:attitudedetermination;GPS2derivedacceleration;MRPs;iterativeleastsquare;complementary
filter
EEACC:7320E

一种面向机动的低成本姿态测量系统3

徐玉,李平3,韩波

(浙江大学工业控制技术研究所,杭州310027)

摘要:载体作机动运动时,基于加速度计和磁传感器的姿态测量系统易受载体运动加速度的影响而导致测量精度降低.通
过将GPS加速度引入重力观测方程,有效补偿了载体运动加速度造成的姿态测量误差.利用基于重力场和地磁场矢量观测的
迭代最小二乘姿态确定算法得到修正罗德里格姿态参数.姿态信息通过互补滤波器与陀螺仪测量值融合以提高动态响应.实
验结果表明,该低成本姿态测量系统可明显提高机动环境下的姿态测量精度,姿态角测量误差小于3°.
关键词:姿态测量;GPS加速度;修正罗德里格参数;迭代最小二乘;互补滤波器
中图分类号:U666.1文献标识码:A文章编号:100421699(2007)1022272204

随着微机械惯性传感技术与固态磁传感技术于它同时对重力加速度和运动加速度敏感,载体做
的发展,利用微机械陀螺仪、微机械加速度计与固态长时间机动运动时上述姿态测量系统会产生较大的
磁传感器构建微小型低成本组合姿态测量系统已经测量误差[3].利用GPS加速度信号作为姿态参考向
成为近年来的研究热点之一.由于具有成本低、体积量可有效地解决该问题[4].本文将GPS加速度信号
小、重量轻、功耗低、结构简单等特点,这种全固态组引入到姿态测量系统,有效地补偿了载体运动加速
合姿态测量系统在微小型无人机、无人潜艇、机器度所造成的姿态测量误差;实验结果表明,在静态和
人、虚拟现实等领域有着非常广阔的应用前景.机动环境下,该低成本姿态测量系统具有良好的测
姿态信息可通过陀螺仪积分获得,但低成本微量精度和动态性能.
机械陀螺仪存在较大的漂移误差,长时间的积分会
1问题描述
导致测量姿态发散,因而需要利用加速度计与磁传
感器对重力场和地磁场的测量值来修正陀螺仪漂移载体无运动加速度时,加速度计测量重力分量,
造成的误差[1].加速度计可以用于倾角测量[2],但由载体的横滚角<和俯仰角θ可由下式得到[5]:

基金项目:国家“863”高技术研究发展计划资助项目(2006AA10Z204)
收稿日期:2007202201修改日期:2007203226
第10期徐玉,李平等:一种面向机动的低成本姿态测量系统2273

<=arctan(fy/fz)是恒定的.由于地磁场是弱磁场,磁传感器的输