CN114234971A - 一种可降低噪声全姿态imu姿态解算方法 - Google Patents

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Abstract

一种可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法，属于惯性测量单元降噪方法领域，其特征在于：设X、Y、Z三轴陀螺仪测量得到的值分别为GyroX、GyroY和GyroZ；方位角Yaw可通过GyroX、GyroY，或者GyroZ值对时间积分得到；输出的yaw值可以用三轴计算出的三个yaw值根据姿态角加权平均得到。本发明所述可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法使得噪声降低了原来的1/3左右，由于仅增加了浮点数求平均的运算，解算效率未受影响，不仅降低了噪声还提高了精度。

Description

一种可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法
技术领域
本发明属于惯性测量单元降噪方法领域，尤其涉及一种可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法。
背景技术
惯性测量单元（IMU）是测量物体三轴姿态角的装置，可以测量绕3轴的旋转角速度和3轴的加速度分量，可用于测量汽车、轮船、机器人等载体的姿态，一般内部包含3轴加计、3轴陀螺仪及3轴磁罗盘。
姿态变化范围较大时一般采用4元数算法，可以避免欧拉角姿态解算方法当俯仰角接近90°时的 “GimbalLock”（万向锁）现象，4元数算法虽然可以全姿态解算，但当俯仰角接近90°时，绕Z轴的旋转运动解算出的数据线性度较差，影响测量效果。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供一种可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法。
本发明所述可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法，设X、Y、Z三轴陀螺仪测量得到的值分别为GyroX、GyroY和GyroZ；方位角Yaw可通过GyroX、GyroY，或者GyroZ值对时间积分得到；输出的yaw值可以用三轴计算出的三个yaw值根据姿态角加权平均得到。
进一步，本发明所述可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法，假设X、Y、Z三轴陀螺仪测量得到的值分别为GyroX、GyroY和GyroZ；三轴加计分别测量得到的值为AccX、AccY和AccZ；
当方位角yaw不为0时， N系到B系的旋转（B系-body即自身坐标系；N系-navigation坐标系即导航坐标系）矩阵表示为：
Figure 325497DEST_PATH_IMAGE001
当N系仅有水平旋转
Figure 242637DEST_PATH_IMAGE002
，将其分解到B系，得到三轴旋转角度AngX、AngY和AngZ：
Figure 22374DEST_PATH_IMAGE003
X、Y、Z三个轴的旋转角度为AngX、AngY、AngZ；
由于在N系Z轴上的分量是一个yaw，即：
Figure 417584DEST_PATH_IMAGE004
三轴旋转角度为各轴陀螺再积分，最终输出值为：
Figure 231956DEST_PATH_IMAGE005
其中
Figure 116735DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 383769DEST_PATH_IMAGE007
及
Figure 582669DEST_PATH_IMAGE008
分别为XYZ轴分配的权重，
Figure 251548DEST_PATH_IMAGE009
。
进一步，本发明所述可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法，所述
Figure 244911DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 999241DEST_PATH_IMAGE007
及
Figure 736253DEST_PATH_IMAGE008
分别是X、Y、Z轴分配的权重，
Figure 823420DEST_PATH_IMAGE010
，所述权重的分配与姿态有关系：
当水平状态时，pit=0，rol=0，此时
Figure 253264DEST_PATH_IMAGE006
=
Figure 494889DEST_PATH_IMAGE007
=0，此时yaw值仅和Z轴陀螺有关系；
当俯仰角pit=0时，B系X轴陀螺和N系Z 轴垂直，GyroX=0，此时分配
Figure 770013DEST_PATH_IMAGE006
=0；
当横滚角rol=0时，B系Y轴陀螺和N系Z 轴垂直，GyroY=0，此时分配
Figure 413484DEST_PATH_IMAGE007
=0。
本发明所述可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法，将Z轴的旋转运动用X 轴、Y轴或Z轴进行解算，方位角Yaw由GyroX、GyroY，或者GyroZ值对时间积分得到，输出的yaw值可用三轴计算出来的三个yaw值根据姿态角加权平均得到，yaw值由三个陀螺仪平均得出，本发明所述可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法使得噪声降低了原来的1/3左右，由于仅增加了浮点数求平均的运算，解算效率未受影响，不仅降低了噪声还提高了精度。
附图说明
图1为本发明可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法实施例所述航空***演示图。
具体实施方式
下面通过附图及实施例对本发明所述可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法进行详细说明。
本实施例所述航空***如图1所示，所述航空***的旋转顺序是Z-Y-X，在本公开实施例中设X、Y、Z三轴陀螺仪测量得到的值分别为GyroX、GyroY和GyroZ；三轴加计分别测量得到的值为AccX、AccY和AccZ，姿态解算的目的就是要求出方位角(Yaw)、俯仰角（Pitch）和横滚角（Roll）。
当IMU是9轴（3轴陀螺+3轴加计+3轴磁罗盘）时，俯仰角（Pitch）和横滚角（Roll）有加计值作为参考，方位角(Yaw)有磁罗盘作为参考。4元数算法可输出三轴姿态角，但由于地磁值可信度较差，并且容易受到电机剩磁、铁磁壳体剩磁等干扰，yaw值并不可信，在应用中往往需要关闭磁罗盘，改由双GPS天线测向***来闭合数据，但在GPS无信号时yaw方向由惯导陀螺保持，所以无论是9轴还是6轴IMU，陀螺的零飘值是很重要的性能指标之一。
当IMU是6轴（3轴陀螺+3轴加计）时，4元数算法由于Z轴旋转yaw角度值缺乏参考，算出来的值无意义，需要依赖陀螺值积分得到，即 GyroZ通过积分和姿态角解算出来，但实际发现当X轴和Y轴不再水平时，Z轴的旋转运动是在三个陀螺上都有分量，一般X、Y、Z轴的陀螺元件在硬件上没有差别，因此Z轴的旋转运动用X 轴、Y轴或Z轴可以计算出来，且计算精度一样。在本公开实施例中，当发生倾斜角大于5°时，给GyroX、GyroY积分计算出来的yaw分配较小的权重（如0.05）。yaw可由GyroX、GyroY，或者GyroZ值对时间积分得到，输出的yaw值可以用三轴计算出来的三个yaw值根据姿态角加权平均得到，这样相当于yaw值由三个陀螺仪平均得出。
在本公开实施例中，当方位角yaw不为0时， N系到B系的旋转矩阵表示为：
Figure 748650DEST_PATH_IMAGE011
当N系仅有水平旋转
Figure 539889DEST_PATH_IMAGE012
，将其分解到B系，得到三轴旋转角度AngX、AngY和AngZ：
Figure 618703DEST_PATH_IMAGE013
X、Y、Z三个轴的旋转角度为AngX、AngY、AngZ；
由于在N系Z轴上的分量是一个yaw，即：
Figure 116681DEST_PATH_IMAGE004
三轴旋转角度为各轴陀螺再积分，最终输出值为：
Figure 888327DEST_PATH_IMAGE014
其中
Figure 838966DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 721471DEST_PATH_IMAGE007
及
Figure 136272DEST_PATH_IMAGE008
分别为XYZ轴分配的权重，
Figure 78820DEST_PATH_IMAGE015
。
因前述权重的分配与姿态有关系，需注意存在以下几种特殊情况：当水平状态时，pit=0，rol=0，此时
Figure 516755DEST_PATH_IMAGE006
=
Figure 937372DEST_PATH_IMAGE007
=0，此时yaw值仅和Z轴陀螺有关系；当俯仰角pit=0时，B系X轴陀螺和N系Z 轴垂直，GyroX=0，此时分配
Figure 409942DEST_PATH_IMAGE006
=0；当横滚角rol=0时，B系Y轴陀螺和N系Z 轴垂直，GyroY=0，此时分配
Figure 523391DEST_PATH_IMAGE007
=0。
在上述实施例所述解算方法基础上，将一个内置两种解算方法的IMU，置于三轴转台上测试3种倾斜状态Z轴缓慢旋转(Vyaw=0.5°/s)时yaw的测量值，和标准值进行对比，统计其噪声密度，实测结果如下表1所示：
表1
Figure 448622DEST_PATH_IMAGE016
上述实测数据，可进一步说明本实施例所述可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法使得噪声降低了原来的1/3左右，由于仅增加了浮点数求平均的运算，解算效率未受影响，不仅降低了噪声还提高了精度。

Claims (3)

1.一种可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法，其特征在于：设X、Y、Z三轴陀螺仪测量得到的值分别为GyroX、GyroY和GyroZ；方位角Yaw可通过GyroX、GyroY，或者GyroZ值对时间积分得到；输出的yaw值可以用三轴计算出的三个yaw值根据姿态角加权平均得到。
2.根据权利要求1所述可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法，其特征在于：假设X、Y、Z三轴陀螺仪测量得到的值分别为GyroX、GyroY和GyroZ；三轴加计分别测量得到的值为AccX、AccY和AccZ；
当方位角yaw不为0时， N系到B系的旋转矩阵表示为：
Figure 56683DEST_PATH_IMAGE001
当N系仅有水平旋转
Figure 973823DEST_PATH_IMAGE002
，将其分解到B系，得到三轴旋转角度AngX、AngY和AngZ：
Figure 815877DEST_PATH_IMAGE003
X、Y、Z三个轴的旋转角度为AngX、AngY、AngZ；
由于在N系Z轴上的分量是一个yaw，即：
Figure 211087DEST_PATH_IMAGE004
三轴旋转角度为各轴陀螺再积分，最终输出值为:
Figure 25459DEST_PATH_IMAGE005
其中
Figure 847921DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 114955DEST_PATH_IMAGE007
及
Figure 313855DEST_PATH_IMAGE008
分别为XYZ轴分配的权重，
Figure 982733DEST_PATH_IMAGE009
。
3.根据权利要求2所述可降低噪声全姿态IMU姿态解算方法，其特征在于：所述
Figure 38414DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 792744DEST_PATH_IMAGE011
及
Figure 529755DEST_PATH_IMAGE012
分别是X、Y、Z轴分配的权重，
Figure 53141DEST_PATH_IMAGE013
，所述权重的分配与姿态有关系：
当水平状态时，pit=0，rol=0，此时
Figure 482985DEST_PATH_IMAGE010
=
Figure 724610DEST_PATH_IMAGE011
=0，此时yaw值仅和Z轴陀螺有关系；
当俯仰角pit=0时，B系X轴陀螺和N系Z 轴垂直，GyroX=0，此时分配
Figure 999734DEST_PATH_IMAGE006
=0；
当横滚角rol=0时，B系Y轴陀螺和N系Z 轴垂直，GyroY=0，此时分配
Figure 206987DEST_PATH_IMAGE007
=0。
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