[发明专利]一种运动姿态传感器的数据融合与解算方法

说明书

本发明涉及一种运动姿态传感器的数据融合与解算方法，属于多传感器数据融合技术。首先，处理器对采集到的X、Y、Z三轴角速度、加速度、复合磁场强度模拟信号进行模数转换为数字信号；其次，对三轴角速度进行积分获得初始四元数数据，该数据会有积分误差；然后，引入加速度数据和复合磁场强度数据对初始四元数进行校正，观察矩阵为重力加速度和正北方向的磁场；然后，使用基于模糊控制的自适应卡尔曼滤波器将三轴角速度、加速度和复合磁场强度进行融合并输入到四元数微分方程，得到四元数；最后，将四元数转换成欧拉角并输出。

技术领域

本发明公开一种运动姿态传感器的数据融合与解算方法，具体涉及多种惯性器件数据融合技术。

背景技术

数据融合是多元信息综合处理的一项新技术，比较确切的定义可概括为：充分利用不同的时间和空间的多传感器信息资源，采用计算机技术对按时序获得的多传感器观测信息在一定的准则下加以自动分析、综合、支配和使用，获得被测对象的一致性解释与描述，以完成所需的决策和估计任务，使系统获得比它的各个组成部分更优越的性能。

数据融合从20世纪70年代末被提出，源于军事领域的C3I(command，control，communication and intelligence)系统的需要，当时称为多源相关、多传感器混合数据融合，并于80年代建立其技术。美国是数据融合技术起步最早的国家，1983年，美国国防高级研究计划局(DARPA)推出的战略计算机计划中，将多传感器数据融合列为重大研究课题。1984年，美国国防部(DOD)成立了数据融合专家组(DFS-Data Fusion Subanal)，负责指导、组织并协调这一国防关键技术的系统研究，1988年又将其列入国防部22项关键技术之一。同时其它西方发达国家和国际组织(如英、日、德、法及欧盟等)也积极开展了数据融合技术研究工作。

和国外相比，我国在数据融合领域的研究起步较晚。1991年海湾战争结束以后，数据融合技术引起国内有关单位和专家的高度重视。一些高校和科研院所相继对数据融合的理论、系统框架和融合算法开展了大量研究，但基本上处于理论研究的层次上，在工程化、实用化方面尚未取得有成效的突破，有许多关键技术问题尚待解决，在工程应用领域，需要开发出有重要应用价值的实用系统。近年来数据融合技术已形成研究热点，国家自然科学基金和国家863计划已将其列入重点支持项目。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于低成本、低功耗运动姿态传感器芯片的小内核高效能多源数据融合和姿态解算的方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种运动姿态传感器的数据融合与解算方法，其特征在于：

所述运动姿态传感器能够输出的数据包括：宿主原始X、Y、Z三个轴向的角速度、加速度、复合磁场强度ADC数据，经过融合但未经处理的宿主四元数数据，经过解算和处理的宿主姿态角数据，包括航向角、俯仰角、横滚角、倾斜角；

所述原始X、Y、Z三个轴向的角速度、加速度、复合磁场强度ADC数据是运动姿态传感器的角速度计、加速度计和磁力计将采集到的X、Y、Z三个轴向的角速度、加速度、地球磁场和环境磁场之复合磁场强度等模拟数据发送给微处理器后进行模数转换后的数字化数据；

所述经过融合但未经处理的宿主四元数数据是微处理器对原始X、Y、Z三个轴向的角速度、加速度、复合磁场强度ADC数据按预设好的融合算法进行数据融合而得到的超复数，它由实数加上三个虚数单位i、j、k组成，四元数一般可表示为

其中n为旋转方向，θ/2为转角大小，i，j，k关系为但该四元数据没有经过欧拉角解算和数据滤波、修正补偿等，四元数表示三维空间中的一个旋转；