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专利号: 2017106517091
申请人: 华南农业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种两轴姿态倾角测量方法,其特征在于,包括下述步骤:S1、基于三轴加速度计空间几何模型模型,准静态情况下对横滚角与俯仰角初始值进行准确估算,并作为卡尔曼滤波器的状态输入量;

S2、将两轴倾角零偏biasroll、biaspitch也作为卡尔曼滤波的状态输入量;

S3、将X轴陀螺仪与Y轴陀螺仪测量值Gyrox、Gyroy作为卡尔曼滤波的输入向量;

S4、建立包含4个状态向量与2个观测向量的系统卡尔曼滤波状态方程和测量方程,精准测量两轴姿态倾角。

2.根据权利要求1所述的一种两轴姿态倾角测量方法,其特征在于,步骤S1之前,还包括硬件平台的搭建步骤,所述硬件平台具有稳定可靠3轴加速度计、2轴陀螺仪与温度信息输出装置,输出频率不小于10Hz。

3.根据权利要求1所述一种两轴姿态倾角测量方法,其特征在于,在传感器预热准静态过程根据三轴加速度计空间模型完成状态向量初始值估算。

4.根据权利要求1所述一种两轴姿态倾角测量方法,其特征在于,在步骤S1中,三轴加速度计空间几何模型模型的构建如下:首先,建立姿态倾角测量系统坐标系,绕坐标系X轴转动为横滚角,绕坐标系Y轴转动为俯仰角,基于欧拉角的物理特性,在平台式惯性导航系统中,欧拉角可通过坐标系的3个框架的角传感器测量;

其次,设姿态测量系统原始坐标系为O-XYZ,当绕X轴转动时产生横滚倾角Roll,传感器坐标系变为O-XY1Z1;当绕Y轴转动时产生俯仰倾角Pitch,传感器坐标系变为O-X2YZ2;

根据欧拉角法的坐标旋转原理,欧拉角随时间的传递关系可利用惯性传感器测得的角速率表示:式中:ωx、ωy、ωz分别为X、Y、Z轴的角速率,φ、θ、ψ分别为横滚角向量、俯仰角向量与偏航角向量,整理推导出欧拉角的微分方程为:最后,根据欧拉角法,只需求解相应的微分方程便可得到相应的姿态角。

5.根据权利要求1所述一种两轴姿态倾角测量方法,其特征在于,在步骤S1中,初始传感器为准静态,利用三轴加速度计的空间几何模型估算姿态原始量:横滚角初始值

俯仰角初始值

其中Accx、Accy、Accz分别为三轴加速度计的测量值,由此可估算2个初始状态向量。

6.根据权利要求1所述一种两轴姿态倾角测量方法,其特征在于,在步骤S2中,两轴倾角零偏biasroll、biaspitch初始值为0。

7.根据权利要求1所述一种两轴姿态倾角测量方法,其特征在于,步骤S4具体为:建立姿态参考系统的外部拓展卡尔曼滤波状态方程与测量方程:其中xk和zk分别表示姿态参考系统的状态向量与观测向量,uk-1为系统输入,ωk-1和υk分别为状态方程的过程误差与测量方程的测量噪声,k表示本次计算的时序,A,B,H分别是系统状态矩阵、系统输入矩阵、输出矩阵,其中:系统的状态向量为

系统状态矩阵为

系统输入矩阵为

系统观测向量为zk=[rollk,pitchk]T;

系统输出矩阵 k表示本次计算的时序,Δt表示融合时间。

8.根据权利要求7所述一种两轴姿态倾角测量方法,其特征在于,状态方程的过程误差ωk-1与观测方程的测量误差υk均假设为零均值且符合正态分布的高斯白噪声,对应着系统的过程误差协方差矩阵Qk和测量误差协方差矩阵Rk,其中:ωk~N(0,Qk),υk~N(0,Rk)且cov[ωk,υk]=0;

其中k表示本次计算的时序,Δt表示融合时间。