基于电子罗盘与MEMS陀螺仪的微型捷联航姿参考系统中姿态互补滤波与误差补偿研究

Tri-axial electronic compass based on magnetometer and accelerometer is widely used for attitude determining and navigation, but its precision can be easily affected by the acceleration of its carrier in dynamic states. Micro strapdown attitude and heading reference system (AHRS), which is a combination of electronic compass and MEMS gyro, has higher dynamic precision and is lower sensitive to magnetic disturbance. It can also overcome the shortcoming of bias shifting, which exists in the inertial measurement units (IMU). For those AHRS, the problems of data fusion, attitude resolution, and error compensation are critical. To solve these problem, this project will use complementary filtering to implement the data fusion in micro strapdown AHRS, and will focus on its performance under discrete time condition as well as its internal relation to the commonly used Kalman filter, in order to implement attitude determination with low computational complexity. Meanwhile, this project will use the dot-product-invariance method that is suitable for the mutual calibration of multisensors, instead of the traditional ellipsoid fitting method, in the error compensation for tri-axial strapdown sensors. The research of this project will provide strong theoretical support for the development of micro strapdown AHRS based on tri-axial magnetometer/accelerometer/gyro, and will be of great significance for the application of such systems.

基于磁强计与加速度计的三轴电子罗盘是一种应用广泛的姿态测量与导航设备，但其在动态下易受载体加速度影响而降低精度。在三轴电子罗盘基础上加入MEMS陀螺仪而构成的微型捷联式航姿参考系统，能够克服电子罗盘动态精度差、易受外界磁场干扰以及微惯性测量单元存在漂移的缺陷。对于这类微型捷联式航姿参考系统，其数据融合、姿态解算以及误差补偿是关键问题。为此，本项目拟采用互补滤波实现微型捷联式航姿参考系统中的数据融合，并重点研究其在离散时间条件下的性能及其与常用的卡尔曼滤波的内在联系，以期用较低的计算复杂度完成姿态解算；同时，拟采用适合多传感器间相互校正的点积不变法，代替常用于电子罗盘的椭球拟合法，实现AHRS中三轴捷联传感器的误差补偿。本项目的研究将为基于磁强计/加速度计/陀螺仪的微型捷联式航姿参考系统的研制和改进提供有效的理论指导，对此类系统的推广应用具有重要意义。

基于磁强计与加速度计的三轴电子罗盘是一种应用广泛的姿态测量与导航设备，但其在动态下易受载体加速度影响而降低精度。在三轴电子罗盘基础上加入MEMS陀螺仪而构成的微型捷联式航姿参考系统，能够克服电子罗盘动态精度差、易受外界磁场干扰以及微惯性测量单元存在漂移的缺陷。对于这类微型捷联式航姿参考系统，其数据融合、姿态解算以及误差补偿是关键问题。为此，本项目研制了可实现静态及动态条件下的航向与姿态数据输出的航向与姿态参考系统（AHRS）样机;研究并实现了用于AHRS的广义互补姿态滤波算法，该算法能融合AHRS中磁强计、加速度计及陀螺仪读数，得到较精确的航向与姿态估计，且计算量明显低于常用的扩展卡尔曼滤波（EKF）算法;研究了AHRS中的传感器误差补偿方法：将点积不变原理与常用的椭球拟合法相结合，实现了加速度计与磁强计的校正，消除了二者间的非对准误差；采用叉积标定法实现了三轴陀螺仪的现场标定。为提高动态环境下的姿态估计精度，研究了载体运动加速度补偿算法，以及传感器观测噪声的自适应估计算法。此外，以本项目研究的AHRS及姿态滤波算法为基础，进行了若干延伸性的研究,将AHRS与GPS、北斗以及图像辅助导航相结合，研究了旋翼无人机组合导航算法;针对AHRS中加速度计易受振动干扰的问题，分析了AHRS应用于四旋翼飞行器时的减振滤波问题，并研究了基于经验模态分解（EMD）的噪声分离算法;将AHRS用于虚拟瞄准训练系统，研究了基于虚拟现实技术的三维空间瞄准算法。本项目的研究将为基于磁强计/加速度计/陀螺仪的微型捷联式航姿参考系统的研制和改进提供有效的理论指导，对此类系统的推广应用具有重要意义。