基于扩展卡尔曼滤波器的低成本航姿系统设计.pdfVIP

第 35卷 第 1O期 系统工程与 电子技术 V01．35 No．10 2Ol3年 10月 SystemsEngineeringandElectronics Octoher2O13 文章编号：1001—506X(2013)10—215807 网址 ：www．sys—ele．CO1TI 基于扩展卡尔曼滤波器的低成本航姿系统设计 盛汉霖 ，张天宏 ，刘冬冬 (南京航 空航天大学能源与动力学院，江苏 南京 210016) 摘 要 ：针对传统的航姿系统(attitudeandheadingreferencesystem，AHRS)在微型无人飞行器、机器人等应用 上所体现 的成本高、体积大、功耗大的问题 ，提 出了一种低成本高精度 AHRs。该系统 以数字信号处理器为硬件平 台，集成 了陀螺仪、加速度计、磁罗盘等 9自由度微机 电系统传感器，采用了基于 四元数 的姿态估计方法，建立 了传 感器输出模型和 系统状态空间模型，考虑了加速度对系统精度的影响，解决了四元数协方差奇异性问题，通过扩展 卡尔曼滤波器进行数据融合 以获得姿态的准确输 出。经数值仿真分析和三轴飞行转 台测试 ，姿态角的静态精度优于 0．5。、动态精度优于2。，并在微型无人飞行器上进行了飞行验证，结果表明其能够满足小型无人飞行器等的应用需求。 关键词 ：仪器仪表技术 ；航姿系统；扩展卡尔曼滤波器；四元数 ；微机 电系统传感器 中图分类号：V249．32 文献标志码 ：A DOI：10．3969／j．issn．1001—506X．2013．10．23 Low。costAHRSdesignbasedon extendingKalman filter SHENG Han—lin，ZHANG Tian—hong，LIU Dong—dong (CollegeofEnergyandPower，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China) Abstract：A low—cost，high—accuracyattitudeandheadingreferencesystem (AHRS)isproposed forthe problem ofhighcost，bigvolumeandhighpowerconsumptiononthetraditionalAHRSwhichisappliedinmi— crounmannedaerialvehicle(MUAV)androbots．Usingadigitalsignalprocessor (DSP)asahardwareplat— form ，9-degreeoffreedom micro—electro—mechanicalsystem (MEMS)sensorsincludinggyroscope，accelerator andcompassareintegrated．Anattitudeestimationmethodbasedonquaternionisadopted．Sensormodeland statespacemodelarebuilt．Theimpactofaccelerationon thesystem accuracy isconsidered．Thesingularity problem ofquaternioncovarianceissolved，andtheaccurateoutputofattitudeandheadingbyapplyingan ex— tendingKalmanfiltertodatafusionisacquired．Theresultindicatesthatthestaticaccuracyanddynamicaccura— cyoftheattitudeanglearebetterthan0．5。and2。，re