[发明专利]基于多MEMS传感器的动态载体姿态测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及载体姿态测量技术领域，尤其是涉及一种基于多MEMS传感器的动态载体姿态测量系统及方法。

背景技术

现有技术中，姿态测量大多是通过测量载体在惯性空间中三轴地磁场强度值和三轴加速度值解算出载体在惯性空间中的姿态角。地磁场测量成本低，范围大，能够解算出载体的静态航向角，但地磁场强度较低，非常容易受到其它磁体的干扰。加速度测量的是重力方向，在无外力加速度的情况下，能准确解算出静态俯仰角和横滚角，并且角度不会有累积漂移，但是由于加速度传感器实际上是用MEMS技术检测惯性力造成的微小形变，而惯性力与重力本质是一样的，所以加速度计就不会区分重力加速度与外力加速度，当载体运动时，由于引入额外的加速度，它的输出就不正确了。

在受到磁场干扰及载体运动的情况下想要进行正确姿态测量就需要将角速度传感器测得的角速度信号与静态角度经行数据融合，也就是用角速度值滤波处理静态数据得到无累计漂移的动态角度数据。目前国内外实现动态载体姿态测量的产品有的是用欧拉角来表示动态载体姿态，有的是用四元数来表示动态载体姿态，其中，欧拉角表示方法直观，便于理解，但存在着俯仰角度大时精度低、有奇异点等问题，导致欧拉角表示方法不能准确地表示动态载体姿态；四元数表示方法明确，运算简单，但是可能会出现误差积累，出现非法的四元数，而且，要进行坐标系间的转换时就无法进行，必须转换成旋转矩阵才行，而将四元数转换成旋转矩阵的步骤非常复杂，在很多情况下转换根本就无法实现。另外，目前的动态载体姿态测量系统输出的数据帧固定，显示方法单一，无法根据用户需求输出用户需要了解的数据，无法很好地满足不同场合的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、智能化程度高、使用操作便捷、体积小、成本低、测量精度高的基于多MEMS传感器的动态载体姿态测量系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于多MEMS传感器的动态载体姿态测量系统，其特征在于：包括用于对动态载体的姿态进行实时检测的多MEMS传感器检测单元、用于对多MEMS传感器检测单元所检测到的信号进行分析处理的微处理器模块和上位计算机，所述上位计算机通过通信电路模块与微处理器模块相接并通信，所述微处理器模块的输入端接有用于实时采集多MEMS传感器检测单元实时所检测信号的信号采集单元，所述多MEMS传感器检测单元与所述信号采集单元相接；所述多MEMS传感器检测单元由测量轴与动态载体坐标系的横轴相重合的第一MEMS加速度传感器、第一MEMS角速率传感器和第一MEMS磁强传感器，测量轴与动态载体坐标系的纵轴相重合的第二MEMS加速度传感器、第二MEMS角速率传感器和第二MEMS磁强传感器，以及测量轴与动态载体坐标系的竖轴相重合的第三MEMS加速度传感器、第三MEMS角速率传感器和第三MEMS磁强传感器组成。

上述的基于多MEMS传感器的动态载体姿态测量系统，其特征在于：所述信号采集单元包括与多MEMS传感器检测单元输出端相接的信号多路复用电路模块和与信号多路复用电路模块输出端相接的A/D转换电路模块，所述A/D转换电路模块的输出端与所述微处理器模块的输入端相接。

上述的基于多MEMS传感器的动态载体姿态测量系统，其特征在于：所述微处理器模块为ARM微处理器STM32F103。

上述的基于多MEMS传感器的动态载体姿态测量系统，其特征在于：所述通信电路模块为串口通信电路模块。

上述的基于多MEMS传感器的动态载体姿态测量系统，其特征在于：所述第一MEMS加速度传感器、第二MEMS加速度传感器和第三MEMS加速度传感器均为芯片ADXL202。

上述的基于多MEMS传感器的动态载体姿态测量系统，其特征在于：所述第一MEMS角速率传感器、第二MEMS角速率传感器和第三MEMS角速率传感器均为芯片ADXRS300。

上述的基于多MEMS传感器的动态载体姿态测量系统，其特征在于：所述第一MEMS磁强传感器、第二MEMS磁强传感器和第三MEMS磁强传感器均为芯片HMC1022。

上述的基于多MEMS传感器的动态载体姿态测量系统，其特征在于：所述A/D转换电路模块为芯片AD976。

本发明还提供了一种数据处理速度快、实时性高、精度高、输出结果多样、适应性强的基于多MEMS传感器的动态载体姿态测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：