[發(fā)明專利]基于多MEMS慣性傳感器的偏航角測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110464133.4
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113126642B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳冰冰;陽建仁;溫治強(qiáng);利劍清;陳盛宏
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東華南計算技術(shù)研究所
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10;G01C21/18
• 代理公司: 廣州大象飛揚(yáng)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44745
• 代理人: 趙娜

本發(fā)明提供了一種基于多MEMS慣性傳感器的偏航角測量系統(tǒng)、方法和飛控系統(tǒng)，包括初始化模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、偏航角解算模塊和俯仰角與橫滾角解算模塊；初始化模塊用于硬件初始化、算法初始化和多傳感器初始化；傳感器數(shù)據(jù)采集模塊先選擇慣性傳感器，逐個讀取每個慣性傳感器的陀螺儀、加速度計、溫度傳感器的測量值；傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；偏航角解算模塊用于根據(jù)濾波算法計算得到的準(zhǔn)確的Z軸角速度，通過積分運(yùn)算得出準(zhǔn)確的偏航角；俯仰角與橫滾角解算模塊用于解算俯仰角和橫滾角。本發(fā)明不依賴于磁力計或者是GNSS信號，不受外界磁場變化的影響，應(yīng)用場景范圍廣，成本低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及偏航角測量技術(shù)，特別是涉及一種基于多MEMS慣性傳感器的偏航角測量系統(tǒng)、方法和飛控系統(tǒng)。

背景技術(shù)

姿態(tài)角包含俯仰角、橫滾角、偏航角，在民用領(lǐng)域，一般使用價格低廉但噪聲較大的低端MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))慣性傳感器(慣性傳感器包括加速度計、陀螺儀)來解算姿態(tài)角，俯仰角、橫滾角可以通過融合一個三軸MEMS加速度計和一個三軸MEMS陀螺儀的測量數(shù)據(jù)解算得出。而對于偏航角的解算，現(xiàn)有技術(shù)方案主要為以下三種：

1、使用一個三軸MEMS陀螺儀和一個三軸MEMS磁力計來解算偏航角。先使用陀螺儀測得的Z軸角速度(載體空間坐標(biāo)系由XYZ軸組成)進(jìn)行積分，即可測得載體相對初始位置轉(zhuǎn)過的角度大小，而由于陀螺儀測得的數(shù)據(jù)存在較大噪聲，其長時間的積分結(jié)果會逐漸偏離正確的角度值。如果外部磁場只有穩(wěn)定的地磁場，則磁力計的測量值一般是準(zhǔn)確的，磁力計可以測得載體相對地磁極正北方向轉(zhuǎn)過的角度，進(jìn)而可以間接的測得載體相對初始方向轉(zhuǎn)過的角度，因此用磁力計測得的相對初始位置的偏移角度持續(xù)的去校正陀螺儀測得的角度即可得到穩(wěn)定準(zhǔn)確的偏航角。

2、采用單個的高端的戰(zhàn)術(shù)級陀螺儀，這種陀螺儀的測量值較為穩(wěn)定，精度高，測得的Z軸角速度積分得到的偏航角的長期偏移會很小，在很多項目中，能夠符合相關(guān)的參數(shù)要求。

3、采用GNSS信號輔助消費級陀螺儀的偏航角測量，比如雙GPS或者雙RTK技術(shù)，通過衛(wèi)星定位，獲得額外的偏航角觀測量，進(jìn)而用這個觀測量去修正陀螺儀測得的偏航角。

上述方案的缺點總結(jié)如下：

(1)、方案1和方案3都是依賴于外部信號輸入的方案。方案1使用磁力計，方案3需要GNSS信號，這兩者都意味著姿態(tài)測量系統(tǒng)會受到外部的影響(慣性傳感器是不受載體任何外部信號的影響的，它只受到載體自身的運(yùn)動的影響，外部信號包括GNSS信號、磁場、5G信號等等)，在許多場景如地下電力管廊、高壓電線、磁性物體附近是無法使用的，這些地方存在的較大的磁場干擾，會使得方案1中磁力計測得的數(shù)據(jù)是錯誤的，進(jìn)而導(dǎo)致偏航角的測量也是錯誤的。同樣的，在許多應(yīng)用場景下，比如地下管廊這種場景，難以獲得穩(wěn)定可靠GNSS信號，方案3也無法應(yīng)用。因此方案1和方案3的應(yīng)用是有許多場景限制的。

(2)、方案2中使用的戰(zhàn)術(shù)級陀螺儀價格昂貴，在幾百元到數(shù)萬元不等，不具備市場推廣價值。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于多MEMS慣性傳感器的偏航角測量系統(tǒng)、方法和飛控系統(tǒng)，偏航角長時間下比較穩(wěn)定，應(yīng)用場景無限制，且成本低，具有極高的市場推廣價值。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

一種基于多MEMS慣性傳感器的偏航角測量系統(tǒng)，包括初始化模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、偏航角解算模塊和俯仰角與橫滾角解算模塊；

所述初始化模塊用于硬件初始化、算法初始化和多傳感器初始化，在系統(tǒng)上電運(yùn)行時初始化系統(tǒng)硬件參數(shù)；在硬件上電之后初始化濾波算法的參數(shù)；依次對每個傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和常值偏差的標(biāo)定；