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1、(10)申请公布号 CN 103148854 A (43)申请公布日 2013.06.12 CN 103148854 A *CN103148854A* (21)申请号 201310029546.5 (22)申请日 2013.01.28 G01C 21/16(2006.01) (71)申请人 辽宁工程技术大学 地址 123000 辽宁省阜新市中华路 47 号辽 宁工程技术大学 (72)发明人 孙伟 王大雪 徐龙威 徐令令 沈培培 (54) 发明名称 基于单轴正反转动的 MEMS 惯导系统姿态测 量方法 (57) 摘要 本发明提供的是一种基于单轴正反转动的 MEMS 惯导系统姿态测量方法。利用全球。
2、定位系 统确定载体的初始位置参数， 将它们装订至导航 计算机中 ； MEMS 惯性导航系统进行预热后， 采集 MEMS 陀螺仪和 MEMS 加速度计的输出数据 ； 根据 MEMS 加速度计测量的载体运动加速度信息与当 地重力加速度的关系以及 MEMS 陀螺仪输出的载 体角速度信息与地球自转角速率的关系确定 IMU 坐标系与导航坐标系之间的角度信息， 完成系统 的初始对准过程 ； 惯性测量单元绕载体坐标系 (b 系 ) 方位轴采用正反交替转动 360 度为一个周期 的旋转方案 ； 将 IMU 旋转状态下的 MEMS 陀螺仪输 出值带入惯导系统中采用四元数法对捷联矩 阵进行更新 ； 根据测角机构提。
3、供的 IMU 相对载 体的实时转动角位置， 构建载体坐标系与 IMU 坐 标系转换矩阵通过结合姿态矩阵计算出载 体坐标系相对导航坐标系转换矩阵本发明对 惯性器件常值偏差进行调制， 提高系统姿态精度。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103148854 A CN 103148854 A *CN103148854A* 1/3 页 2 1. 一种基于单轴正反转动的 MEMS 惯导系统姿态测量方法， 其特征在于包括以下步骤 ： (1) 利。
4、用全球定位系统确定载体的初始位置参数， 将它们装订至导航计算机中 ； (2)MEMS 惯性导航系统进行预热后， 采集 MEMS 陀螺仪和 MEMS 加速度计的输出数据 ； (3) 根据 MEMS 加速度计测量的载体运动加速度信息与当地重力加速度的关系以及 MEMS 陀螺仪输出的载体角速度信息与地球自转角速率的关系确定 IMU 坐标系与导航坐标 系之间的角度信息， 完成系统的初始对准过程， 建立 MEMS 惯导系统的初始捷联矩阵 (4)惯性测量单元绕载体坐标系(b系)方位轴采用正反交替转动360度为一个周期的 旋转方案 ： 次序 1， IMU 围绕旋转轴顺时针连续转动 360 度 ； 次序 2，。
5、 IMU 围绕旋转轴逆时针 连续转动 360 度， IMU 按照此转动顺序循环进行且 IMU 转动角速度大于 MEMS 陀螺仪常值偏 差。 (5) 将 IMU 旋转状态下的 MEMS 陀螺仪输出值带入惯导系统中采用四元数法对捷联 矩阵进行更新 ： 设 IMU 坐标系相对导航坐标系转动四元数为 ： Q q0+q1is+q2js+q3ks 其中 ： is、 js、 ks分别表示 IMU 坐标系 oxs轴、 oys轴、 ozs轴上的单位方向向量。 通过解算四元数微分方程来实现四元数的即时修正 ： 其中 ：分别表示 IMU 相对导航坐标系的转动角速度在 IMU 坐标系 oxs轴、 oys轴、 ozs轴。
6、上的分量。 基于四元数的 IMU 姿态矩阵的更新过程为 ： (6)根据测角机构提供的IMU相对载体的实时转动角位置， 构建载体坐标系与IMU坐标 系转换矩阵通过结合姿态矩阵计算出载体坐标系相对导航坐标系转换矩阵 根据与姿态角 ( 纵摇角 、 横摇角 和航向角 ) 的函数关系可确定出载体的三 个姿态角主值 ： 权 利 要 求 书 CN 103148854 A 2 2/3 页 3 航向角 定义域为 (0， 360 )， 纵摇角 定义域为 (-90， 90 )， 横摇角 定义 域为 (-180， 180 )， 得到载体姿态真值 ： 主 2. 根据权利要求 1 所述的基于单轴正反转动的 MEMS 惯导。
7、系统姿态测量方法， 其特征 在于所述的根据 MEMS 加速度计测量的载体运动加速度信息与当地重力加速度的关系以及 MEMS 陀螺仪输出的载体角速度信息与地球自转角速率的关系确定 IMU 坐标系与导航坐标 系之间的角度信息， 完成系统的初始对准过程， 建立 MEMS 惯导系统的初始捷联矩阵 3.根据权利要求1所述的基于单轴正反转动的MEMS惯导系统姿态测量方法， 其特征在 于所述的惯性测量单元绕载体坐标系 (b 系 ) 方位轴采用正反交替转动 360 度为一个周期 的旋转方案 ： 次序 1， IMU 围绕旋转轴顺时针连续转动 360 度 ； 次序 2， IMU 围绕旋转轴逆时 针连续转动 360。
8、 度， IMU 按照此转动顺序循环进行且 IMU 转动角速度大于 MEMS 陀螺仪常值 偏差。 4.根据权利要求1所述的基于单轴正反转动的MEMS惯导系统姿态测量方法， 其特征在 于所述的将 IMU 旋转状态下的 MEMS 陀螺仪输出值带入惯导系统中采用四元数法对捷联 矩阵进行更新 ： 设 IMU 坐标系相对导航坐标系转动四元数为 ： Q q0+q1is+q2js+q3ks 其中 ： is、 js、 ks分别表示 IMU 坐标系 oxs轴、 oys轴、 ozs轴上的单位方向向量。 通过解算四元数微分方程来实现四元数的即时修正 ： 其中 ：分别表示 IMU 相对导航坐标系的转动角速度在 IMU 。
9、坐标系 oxs轴、 oys轴、 ozs轴上的分量。 权 利 要 求 书 CN 103148854 A 3 3/3 页 4 基于四元数的 IMU 姿态矩阵的更新过程为 ： 5.根据权利要求1所述的基于单轴正反转动的MEMS惯导系统姿态测量方法， 其特征在 于所述的根据测角机构提供的 IMU 相对载体的实时转动角位置， 构建载体坐标系与 IMU 坐 标系转换矩阵通过结合姿态矩阵计算出载体坐标系相对导航坐标系转换矩阵 根据与姿态角 ( 纵摇角 、 横摇角 和航向角 ) 的函数关系可确定出载体的三 个姿态角主值 ： 航向角 定义域为 (0， 360 )， 纵摇角 定义域为 (-90， 90 )， 横摇。
10、角 定义 域为 (-180， 180 )， 得到载体姿态真值 ： 主 权 利 要 求 书 CN 103148854 A 4 1/5 页 5 基于单轴正反转动的 MEMS 惯导系统姿态测量方法 ( 一 ) 技术领域 0001 本发明涉及的是一种测量方法， 尤其涉及的是一种基于单轴正反转动的 MEMS 惯 导系统姿态测量方法。 ( 二 ) 背景技术 0002 微电子机械系统 (MEMS) 自二十世纪五十年代中期提出以来， 经历多年的持续发 展。由 MEMS 器件构成的惯性导航系统以其具有低成本的特性， 而且具有较大器件偏差的弊 端， 被广泛应用于短时间工作的环境中。 根据惯导系统的基本原理， 在导。
11、航过程中惯性器件 常值偏差的存在是导致惯导系统姿态精度难以提高的主要因素。 如何有效限制惯性导航误 差发散、 提高惯性导航系统姿态测量精度是惯性导航领域中的一项重要课题。 0003 为了提高 MEMS 惯导系统的姿态测量精度， 一方面可以通过不断提高 MEMS 器件精 度， 但是由于受到加工工艺水平的限制， 无限制的提高元件精度是很难实现的 ； 另一方面就 是采取惯导系统的误差抑制技术， 自动消除 MEMS 器件误差对系统姿态解算精度的影响。完 成在现有精度的 MEMS 元件基础上构成较高精度的姿态测量系统。 0004 MEMS 惯导系统的误差抑制， 不是依赖于外部辅助对误差状态进行估计， 而。
12、是研究 MEMS 惯性导航误差在特定运动条件下的传播规律， 并依据此规律限制误差发散， 提高 MEMS 惯导系统姿态精度的方法。基于 MEMS 正反转动的误差抑制方法是通过绕一个轴转动惯性 测量单元 (IMU)， 对导航误差进行调制达到控制导航误差发散、 提高姿态获取精度的目的。 因此， 如何设计合理的单轴旋转补偿方式提高 MEMS 惯导系统的姿态信息精度有重要的意 义。 ( 三 ) 发明内容 0005 本发明的技术解决问题是 ： 克服现有技术不足， 提供一种基于单轴正反转动的 MEMS 惯导系统姿态测量方法。 0006 本发明的技术解决方案为 ： 一种基于单轴正反转动的 MEMS 惯导系统姿。
13、态测量方 法， 其特征在于将惯性测量单元绕载体方位轴连续正反转动， 利用惯性测量单元连续转动 过程中 IMU 坐标系 (s 系 ) 与导航坐标系 (n 系 ) 的相对角位置关系， 确定 IMU 相对导航坐 标系的姿态矩阵， 通过结合测角机构提供的 IMU 相对载体的实时转动角位置， 确定出载体 的实时姿态角信息。其具体步骤如下 ： 0007 (1) 利用全球定位系统确定载体的初始位置参数， 将它们装订至导航计算机中 ； 0008 (2)MEMS 惯性导航系统进行预热后， 采集 MEMS 陀螺仪和 MEMS 加速度计的输出数 据 ； 0009 (3) 根据 MEMS 加速度计测量的载体运动加速度。
14、信息与当地重力加速度的关系以 及 MEMS 陀螺仪输出的载体角速度信息与地球自转角速率的关系确定 IMU 坐标系与导航坐 标系之间的角度信息， 完成系统的初始对准过程， 建立 MEMS 惯导系统的初始捷联矩阵 0010 (4)惯性测量单元绕载体坐标系(b系)方位轴采用正反交替转动360度为一个周 说 明 书 CN 103148854 A 5 2/5 页 6 期的旋转方案 ： 次序 1， IMU 围绕旋转轴顺时针连续转动 360 度 ； 次序 2， IMU 围绕旋转轴逆 时针连续转动 360 度， IMU 按照此转动顺序循环进行且 IMU 转动角速度大于 MEMS 陀螺仪常 值偏差。 0011 。
15、(5) 将 IMU 旋转状态下的 MEMS 陀螺仪输出值带入惯导系统中采用四元数法对 捷联矩阵进行更新 ： 0012 设 IMU 坐标系相对导航坐标系转动四元数为 ： 0013 Q q0+q1is+q2js+q3ks 0014 其中 ： is、 js、 ks分别表示 IMU 坐标系 oxs轴、 oys轴、 ozs轴上的单位方向向量。 0015 通过解算四元数微分方程来实现四元数的即时修正 ： 0016 0017 其中 ：分别表示IMU相对导航坐标系的转动角速度在IMU坐标系oxs 轴、 oys轴、 ozs轴上的分量。 0018 基于四元数的 IMU 姿态矩阵的更新过程为 ： 0019 0020。
16、 (6)根据测角机构提供的IMU相对载体的实时转动角位置， 构建载体坐标系与IMU 坐标系转换矩阵通过结合姿态矩阵计算出载体坐标系相对导航坐标系转换矩阵 0021 0022 根据与姿态角 ( 纵摇角 、 横摇角 和航向角 ) 的函数关系可确定出载体 的三个姿态角主值 ： 0023 0024 航向角 定义域为 (0， 360 )， 纵摇角 定义域为 (-90， 90 )， 横摇角 定义域为 (-180， 180 )， 得到载体姿态真值 ： 0025 说 明 书 CN 103148854 A 6 3/5 页 7 0026 主 0027 0028 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 本发明打破了传统。
17、基于 MEMS 惯性测量器件 构成的惯导系统无法准确提取载体姿态角的约束， 提出一种基于 MEMS 惯导系统围绕载体 方位轴连续正反转动的载体姿态获取方案。该方法可以将旋转轴垂直平面内惯性器件常 值偏差进行调制， 以此计算出更为精确的姿态转换矩阵， 通过结合测角装置实时测得的 IMU 相对载体姿态角信息， 实现对载体姿态角的准确获取。 0029 对本发明有益的效果说明如下 ： 0030 在 VC+ 仿真条件下， 对该方法进行仿真实验 ： 0031 载体处于静止状态， IMU 连续正反转动方案的误差模型参数 ： 0032 正反转动角速度 ： 30 度 / 秒 ； 0033 载体初始位置 ： 北纬。
18、 42.0458， 东经 121.6571 ； 0034 初始姿态误差角 ： 三个初始姿态误差角均为零 ； 0035 赤道半径 ： Re 6378393.0 米 ； 0036 椭球度 ： e 3.367e-3 ； 0037 由万有引力可得的地球表面重力加速度 ： g0 9.78049 ； 0038 地球自转角速度 ( 弧度 / 秒 ) ： 7.2921158e-5 ； 0039 陀螺仪常值漂移 ： 10 度 / 小时 ； 0040 加速度计零偏 ： 10-2g0 ； 0041 常数 ： 3.1415926。 ( 四 ) 附图说明 0042 图 1 为本发明的基于单轴正反转动的 MEMS 惯导系。
19、统姿态测量方法流程图 ； 0043 图 2 为本发明的 IMU 单轴正反旋转方案图 ； 0044 图 3 为本发明的基于 IMU 静止状态时 MEMS 惯导系统姿态误差的仿真曲线 ； 0045 图 4 为本发明的基于 IMU 单轴连续正反转动方案的 MEMS 惯导系统姿态误差仿真 曲线。 ( 五 ) 具体实施方式 0046 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述 ： 0047 (1) 利用全球定位系统确定载体的初始位置参数， 将它们装订至导航计算机中 ； 0048 (2)MEMS 惯性导航系统进行预热后， 采集 MEMS 陀螺仪和 MEMS 加速度计的输出数 说 明 书 CN 103。
20、148854 A 7 4/5 页 8 据 ； 0049 (3) 根据 MEMS 加速度计测量的载体运动加速度信息与当地重力加速度的关系以 及 MEMS 陀螺仪输出的载体角速度信息与地球自转角速率的关系确定 IMU 坐标系与导航坐 标系之间的角度信息， 完成系统的初始对准过程， 建立 MEMS 惯导系统的初始捷联矩阵 0050 (4)惯性测量单元绕载体坐标系(b系)方位轴采用正反交替转动360度为一个周 期的旋转方案 ： 次序 1， IMU 围绕旋转轴顺时针连续转动 360 度 ； 次序 2， IMU 围绕旋转轴逆 时针连续转动 360 度， IMU 按照此转动顺序循环进行且 IMU 转动角速度。
21、大于 MEMS 陀螺仪常 值偏差。 0051 (5) 将 IMU 旋转状态下的 MEMS 陀螺仪输出值带入惯导系统中采用四元数法对 捷联矩阵进行更新 ： 0052 设 IMU 坐标系相对导航坐标系转动四元数为 ： 0053 Q q0+q1is+q2js+q3ks (1) 0054 其中 ： is、 js、 ks分别表示 IMU 坐标系 oxs轴、 oys轴、 ozs轴上的单位方向向量。 0055 通过解算四元数微分方程来实现四元数的即时修正 ： 0056 0057 其中 ：分别表示IMU相对导航坐标系的转动角速度在IMU坐标系oxs 轴、 oys轴、 ozs轴上的分量。 0058 基于四元数的。
22、 IMU 姿态矩阵的更新过程为 ： 0059 0060 (6)根据测角机构提供的IMU相对载体的实时转动角位置， 构建载体坐标系与IMU 坐标系转换矩阵通过结合姿态矩阵计算出载体坐标系相对导航坐标系转换矩阵 0061 0062 根据与姿态角 ( 纵摇角 、 横摇角 和航向角 ) 的函数关系可确定出载体 的三个姿态角主值 ： 0063 说 明 书 CN 103148854 A 8 5/5 页 9 0064 航向角 定义域为 (0， 360 )， 纵摇角 定义域为 (-90， 90 )， 横摇角 定义域为 (-180， 180 )， 得到载体姿态真值 ： 0065 0066 主 (7) 0067 说 明 书 CN 103148854 A 9 1/2 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103148854 A 10 2/2 页 11 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103148854 A 11 。