微機械慣性器件-GPS-磁強計組合航向姿態(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，但是高昂的價格限制了傳統(tǒng)陀螺在某些場合的應用。近年來，在汽車工業(yè)等的需求推動下，微機械慣性傳感器獲得飛速發(fā)展。微機械陀螺與傳統(tǒng)的機械陀螺和光學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，因此具有更加廣泛的市場和更為廣闊的應用前景。但是由于微機械陀螺的精度較低，長時間單獨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。針對上述問題，本文研究了微機械陀螺、微機械加速度計、磁強計和GPS組合姿態(tài)確定算法及由這些傳感器構成的組合航姿系統(tǒng)的設計與實現(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。由于微機械陀螺、微機械加速度計和磁強計的輸出含有高頻噪聲，直接采用輸出信號進行誤差建模階次較高，而且不準確，為此本文首先采用小波分析法對這些傳感器的輸出信號進行消噪處理。然后，根據(jù)文中選用的微機械陀螺和加速度計的工作原理和輸

3、出信號誤差特點給出了誤差模型及模型參數(shù)辨識方法。最后，對磁強計和GPS的測量誤差進行了分析。 補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，歐拉角微分方程計算量大，而且有奇點；四元數(shù)微分方程算法雖然計算量小、沒有奇點，但是不可交換誤差較大。為解決這一問題，提出了一種基于姿態(tài)角誤差的互補卡爾曼濾波器，以及將該濾波器和等效旋轉矢量法相結合的算法。該算法利用加速度計的輸出判斷載體運

4、動狀態(tài)，當載體處于非加速運動時，利用加速度計和磁強計計算姿態(tài)，從而實現(xiàn)在運動中補償陀螺漂移。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械陀螺、微機械加速度計、磁強計和GPS組合姿態(tài)確定中的應用問題。針對磁強計和GPS的測量信號受外部環(huán)境隨機擾動的影響使濾波精度下降的問題，本文采用了數(shù)據(jù)關聯(lián)中門限濾波技術，提出了一種基于數(shù)據(jù)關聯(lián)和聯(lián)邦卡爾曼濾波的組合姿態(tài)確定算法。 由于微機械陀螺精度較低，如果磁強計和GP