[发明专利]一种多MEMS传感器组合测姿方法

说明书

本发明公开了一种多MEMS传感器组合测姿方法，步骤是：1)在载体坐标系的三个轴上，将四组MEMS传感器两两对角安装在载体坐标系的各轴上，相位差为180°；2)采集四组MEMS传感器的测量数据与四元数估计数据的向量积作为传感器系统误差参数；3)将传感器系统误差参数作为模糊控制器和PI控制器的输入参数，将控制器的输出参数作为互补滤波器的输入参数，以修正陀螺仪的角速度输出；4)根据修正后的陀螺仪角速度数据，通过四元数微分方程解算出姿态角数据。本发明方法仿真结果表明，提出的方法较传统姿态解算具有更好的精度以及鲁棒性。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种采用MEMS(微机电系统)传感器来进行物体姿态测量的方法。

背景技术

近年来，随着科技的发展，(Micro-Electro-Mechanical systems,MESM)惯性传感器以及计算机技术的快速发展，由于MEMS传感器体积小，低功耗，成本低被广泛运用于军事、惯性导航系统、示教机器人系统、工业自动化、大型医疗设备等。一般的MEMS传感器姿态测量系统通常采用九轴惯性传感器来测量，其中包括三轴加速度计，三轴磁力计和三轴陀螺仪。利用测量出的加速度，角速度和磁场强度对数据进行融合得到相对于陀螺仪积分算法和磁罗盘算法更精确的姿态角数据，数据融合算法常采用互补滤波和卡尔曼滤波。然而惯性传感器受本身工艺影响，精度低且在测量的过程中会受到复杂环境的影响，会使其测量的过程产生一系列的误差和噪声，在姿态测量和数据融合过程不可避免的引起姿态角较大偏差以及不稳定性。

针对上述存在的问题，常见的解决方法是采用单组MEMS传感器将测量值与观测值之间的偏差作为PI控制器的输入参数，通过互补滤波进行数据融合，以此来增强系统的稳定性；通过此种方法得出静态航向角的范围，标准差分别为：0.767°、0.201°，动态态航向角的范围，标准差分别为：2.852°、0.649°，然而单组MEMS传感器，内部存在耦合误差，系统的可靠性低；输入、输出信息可信度不高；并且单组PI控制器可能会引起积分饱和以及响应速度慢等问题，所以导致姿态角精度没有得到实质性提升。因此，本发明提供一种多MEMS 传感器组合测姿方法，采用了在载体坐标系各轴上四组MEMS传感器两两对角进行安装，减小了MEMS传感器内部耦合误差问题提高系统的可靠性；提高输入、输出信息可信度，采用两组模糊控制器与两组PI控制器组合调节，提高其响应速度等问题。静态数据可得航向角的范围，标准差分别为：0.281°、0.064°，动态数据可得航向角的范围，标准差分别为：1.062°、0.213°，通过数据对比可得，本发明所提出的方案航向角误差更小，所以姿态解算精度更高，鲁棒性更好。

发明内容

发明目的是姿态解算的传统方法中存在精度低，稳定性差等问题，提供一种多MEMS传感器组合测姿方法。该方法是以在载体坐标系的三个轴上，将四组MEMS传感器两两对角安装在载体坐标系的各轴上为基础，将模糊控制器和PI控制器对误差数据进行调节，将调节后所得的数据利用互补滤波原理对角速度进行修正，将修正后的角速度，通过四元数微分方程解算出姿态角数据。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多MEMS传感器组合测姿方法，包括以下步骤：

(1)在载体坐标系的三个轴上，将四组MEMS传感器两两对角安装在载体坐标系的各轴上，相位差为180°；

(2)采集四组MEMS传感器的测量数据与四元数估计数据的向量积作为传感器系统误差参数；

(3)将传感器系统误差参数作为模糊控制器和PI控制器的输入参数，将控制器的输出参数作为互补滤波器的输入参数，以修正陀螺仪的角速度输出；

(4)根据修正后的陀螺仪角速度数据，通过四元数微分方程解算出姿态角数据。

所述步骤(1)的具体过程为：