上海大学学报（自然科学版）
上海大學學報（自然科學版）
상해대학학보（자연과학판）
Journal of Shanghai University(Natural Science Edition)
2015年
5期
547-559
,共13页
张金艺%徐德政%李若涵%陈兴秀%徐秦乐
張金藝%徐德政%李若涵%陳興秀%徐秦樂
장금예%서덕정%리약함%진흥수%서진악
微机电系统-惯性测量单元%姿态估算%分解四元数算法%奇异值补偿%卡尔曼滤波
微機電繫統-慣性測量單元%姿態估算%分解四元數算法%奇異值補償%卡爾曼濾波
미궤전계통-관성측량단원%자태고산%분해사원수산법%기이치보상%잡이만려파
micro-electro-mechanical system-inertial measurement unit (MEMS-IMU)%attitude estimation%factored quaternion algorithm (FQA)%singularity compensation%Kalman filter (KF)
随着对微机电系统-惯性测量单元(micro-electro-mechanical system-inertial measurement unit,MEMS-IMU)在室内定位、动态追踪等应用领域中的需求日益迫切,使得具有高精度、低成本和实时性的MEMS-IMU模块设计成为研究热点.针对MEMS-IMU的核心技术——姿态估算进行研究,设计了一种基于四元数的9轴MEMS-IMU实时姿态估算算法.该算法运用分解四元数算法处理加速度和磁感应强度数据,计算出静态四元数;通过角速度与四元数的微分关系估算动态四元数;运用卡尔曼滤波融合动、静态四元数,进而实现实时姿态估算.针对分解四元数算法中存在的奇异值问题,提出了转轴补偿方法对其修正,以实现全姿态估算;考虑动态情况下的非线性加速度分量对姿态估算精度的影响,设计了R自适应卡尔曼滤波器,以进一步提高姿态估算算法的精度.验证结果表明,R自适应卡尔曼滤波器能够有效抑制加速度噪声,提高姿态估算精度;同时,转轴补偿-分解四元数算法能够准确估算奇异值点的姿态信息,并且计算时间仅为原"借角"补偿方法的50％左右,有效提高了整体算法的实时性.
隨著對微機電繫統-慣性測量單元(micro-electro-mechanical system-inertial measurement unit,MEMS-IMU)在室內定位、動態追蹤等應用領域中的需求日益迫切,使得具有高精度、低成本和實時性的MEMS-IMU模塊設計成為研究熱點.針對MEMS-IMU的覈心技術——姿態估算進行研究,設計瞭一種基于四元數的9軸MEMS-IMU實時姿態估算算法.該算法運用分解四元數算法處理加速度和磁感應彊度數據,計算齣靜態四元數;通過角速度與四元數的微分關繫估算動態四元數;運用卡爾曼濾波融閤動、靜態四元數,進而實現實時姿態估算.針對分解四元數算法中存在的奇異值問題,提齣瞭轉軸補償方法對其脩正,以實現全姿態估算;攷慮動態情況下的非線性加速度分量對姿態估算精度的影響,設計瞭R自適應卡爾曼濾波器,以進一步提高姿態估算算法的精度.驗證結果錶明,R自適應卡爾曼濾波器能夠有效抑製加速度譟聲,提高姿態估算精度;同時,轉軸補償-分解四元數算法能夠準確估算奇異值點的姿態信息,併且計算時間僅為原"藉角"補償方法的50％左右,有效提高瞭整體算法的實時性.
수착대미궤전계통-관성측량단원(micro-electro-mechanical system-inertial measurement unit,MEMS-IMU)재실내정위、동태추종등응용영역중적수구일익박절,사득구유고정도、저성본화실시성적MEMS-IMU모괴설계성위연구열점.침대MEMS-IMU적핵심기술——자태고산진행연구,설계료일충기우사원수적9축MEMS-IMU실시자태고산산법.해산법운용분해사원수산법처리가속도화자감응강도수거,계산출정태사원수;통과각속도여사원수적미분관계고산동태사원수;운용잡이만려파융합동、정태사원수,진이실현실시자태고산.침대분해사원수산법중존재적기이치문제,제출료전축보상방법대기수정,이실현전자태고산;고필동태정황하적비선성가속도분량대자태고산정도적영향,설계료R자괄응잡이만려파기,이진일보제고자태고산산법적정도.험증결과표명,R자괄응잡이만려파기능구유효억제가속도조성,제고자태고산정도;동시,전축보상-분해사원수산법능구준학고산기이치점적자태신식,병차계산시간부위원"차각"보상방법적50％좌우,유효제고료정체산법적실시성.
