一種自動(dòng)電子羅盤(pán)校準(zhǔn)輔助式的航姿參考系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種自動(dòng)電子羅盤(pán)校準(zhǔn)輔助式的航姿參考系統(tǒng)及方法，屬于慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]基于加速度計(jì)、電子陀螺儀和電子羅盤(pán)的三軸捷聯(lián)芯片越來(lái)越多地被應(yīng)用在姿態(tài)測(cè)量和導(dǎo)航參考中。在航姿參考系統(tǒng)(Altitude and Heading Reference System，AHRS)的設(shè)計(jì)中，主要考慮三軸角度的測(cè)量和輸出，其中加速度計(jì)通過(guò)測(cè)量三軸地球重力分量來(lái)提供水平兩軸傾角參考值，電子羅盤(pán)通過(guò)測(cè)量三軸地磁強(qiáng)度來(lái)提供航向角參考值，陀螺儀輸出三軸角速度以提供三軸角度修正值。通過(guò)利用相關(guān)算法融合角速度和三軸角度，從而得到較為準(zhǔn)確和魯棒性較高的三軸航姿角度。
[0003]加速度計(jì)(Accelerometer)是一個(gè)低頻特性的傳感器，當(dāng)傳感器芯片所處零外界加速度環(huán)境時(shí)(比如靜止或勻速運(yùn)動(dòng))，地球重力場(chǎng)將成為唯一作用的加速度，測(cè)量輸出的三軸地球重力加速度分量將成為計(jì)算水平兩軸傾角的唯一輸入數(shù)據(jù)。但當(dāng)芯片受到載體加減速、高頻震動(dòng)或者沖擊的影響時(shí)，三軸加速度分量將會(huì)有干擾項(xiàng)的加入，最終導(dǎo)致傾角計(jì)算出現(xiàn)較大誤差。
[0004]電子羅盤(pán)(Magnetometer)測(cè)量三軸地磁強(qiáng)度，輸出數(shù)據(jù)則易受磁場(chǎng)變化的干擾?？紤]到地球磁場(chǎng)是一個(gè)矢量，電子羅盤(pán)芯片的姿態(tài)位置線性地影響并決定了三軸地磁強(qiáng)度的測(cè)量，故需要在測(cè)量地磁強(qiáng)度之前對(duì)電子羅盤(pán)芯片的水平姿態(tài)做線性補(bǔ)償。又由于地磁強(qiáng)度非常微弱，傳感器周圍的外界磁場(chǎng)(如礦場(chǎng)、電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)等)極易干擾地磁強(qiáng)度的測(cè)量，以至于須在測(cè)量前需要排除這些外界磁場(chǎng)的干擾。
[0005]陀螺儀(Gyrometer)是一種高頻特性的傳感器，其對(duì)角度的變化量敏感。通過(guò)陀螺儀輸出的角速度積分得到的角度相對(duì)來(lái)說(shuō)不易受到干擾，但是由于角度通過(guò)積分得到，且陀螺儀本身的零角速度中立點(diǎn)也不固定，導(dǎo)致誤差也得到積分并累積，隨著時(shí)間增長(zhǎng)而放大輸出誤差(這種誤差稱為漂移誤差)。
[0006]目前在AHRS設(shè)計(jì)中，多考慮加速度計(jì)和電子羅盤(pán)得到的三軸角度與陀螺儀輸出的角速度積分得到的三軸角度進(jìn)行兩兩融合，以期獲得穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，并消除了積分帶來(lái)的漂移誤差。同時(shí)考慮對(duì)航向角解算加入姿態(tài)補(bǔ)償，以期電子羅盤(pán)傳感器芯片在非水平狀態(tài)時(shí)仍能較為準(zhǔn)確地測(cè)算航向角。
[0007]在便攜式航姿參考儀的磁場(chǎng)糾正方面，多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)著眼于在測(cè)量之前對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)做校正，這樣雖然簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，但同時(shí)帶來(lái)了動(dòng)態(tài)測(cè)算不準(zhǔn)、適應(yīng)性不高等缺點(diǎn)。短時(shí)間內(nèi)應(yīng)用不會(huì)對(duì)航向角解算造成影響，但一旦載體脫離校正時(shí)的磁場(chǎng)環(huán)境，未知的磁場(chǎng)干擾將會(huì)給測(cè)量帶來(lái)較大誤差，甚至導(dǎo)致測(cè)量裝置失效。而這些校正技術(shù)大多需要手動(dòng)操作載體，一定程度上犧牲了使用的便攜度。
[0008]另外，部分技術(shù)仍停留在方法算法層面，并未向?qū)嵨镅b置和儀器設(shè)計(jì)上邁出一步，因此并不十分具有工程實(shí)踐意義。
[0009]現(xiàn)有的專利:(1)無(wú)磁場(chǎng)計(jì)航姿解算系統(tǒng)(CN201293647Y)公開(kāi)了一種無(wú)磁場(chǎng)計(jì)航姿解算系統(tǒng)，包括分別用于測(cè)量空間Χ、γ和Z軸方向角速率的三個(gè)角速率陀螺儀、分別用于測(cè)量空間Χ、γ和Z軸線加速度的線加速度傳感器和對(duì)三個(gè)角速率陀螺儀和三個(gè)線加速度傳感器所測(cè)得信號(hào)進(jìn)行解調(diào)濾波的信號(hào)處理器。與本發(fā)明不同之處無(wú)電子羅盤(pán)校準(zhǔn)模塊以及由電子羅盤(pán)校準(zhǔn)的引入而帶來(lái)的動(dòng)態(tài)姿態(tài)補(bǔ)償。(2)—種三軸目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)姿態(tài)解算裝置(CN201310711893.6)，涉及一種三軸目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)姿態(tài)解算裝置。包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三軸框架結(jié)構(gòu)、陀螺、加表和電路板，采用內(nèi)回路速度環(huán)和外回路位置環(huán)構(gòu)成的二環(huán)伺服系統(tǒng)對(duì)三軸框架進(jìn)行穩(wěn)定，采用可見(jiàn)光視頻跟蹤的方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，在視軸跟蹤目標(biāo)的同時(shí)，采集當(dāng)前陀螺和加表的信息進(jìn)行姿態(tài)和航向的解算，為運(yùn)載體提供實(shí)時(shí)的姿態(tài)和航向信息。與本發(fā)明不同之處無(wú)電子羅盤(pán)校準(zhǔn)模塊以及由電子羅盤(pán)校準(zhǔn)的引入而帶來(lái)的動(dòng)態(tài)姿態(tài)補(bǔ)償。(3) —種載體姿態(tài)測(cè)量方法及其系統(tǒng)(CN200410004660.3)，公開(kāi)了一種載體姿態(tài)測(cè)量方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳感器和數(shù)據(jù)處理裝置，傳感器包括三軸加速度計(jì)、三軸磁強(qiáng)計(jì)和三軸速率陀螺，分別測(cè)量重力加速度、地磁感應(yīng)強(qiáng)度和載體運(yùn)動(dòng)角速度在載體坐標(biāo)系三軸上的分量。與本發(fā)明的不同之處為:本發(fā)明可實(shí)時(shí)地、精確地排除干擾磁場(chǎng)，能測(cè)算出較為準(zhǔn)確的航向角。(4)導(dǎo)航姿態(tài)信息輸出方法、裝置及捷聯(lián)航姿參考系統(tǒng)，開(kāi)了一種導(dǎo)航姿態(tài)信息輸出方法、裝置及捷聯(lián)航姿參考系統(tǒng)，該方法應(yīng)用于捷聯(lián)航姿參考系統(tǒng)中，包括:獲取校正后的陀螺儀數(shù)據(jù)，遞推出下一時(shí)刻的過(guò)程姿態(tài);獲取校正后的加速度計(jì)數(shù)據(jù)和磁強(qiáng)計(jì)數(shù)據(jù)，解算出當(dāng)前的觀測(cè)姿態(tài)和觀測(cè)航向；對(duì)觀測(cè)姿態(tài)和觀測(cè)航向進(jìn)行濾波處理，并輸出濾波后的觀測(cè)姿態(tài)和觀測(cè)航向；對(duì)過(guò)程姿態(tài)和濾波后的觀測(cè)姿態(tài)進(jìn)行有機(jī)融合、互補(bǔ)濾波，得到導(dǎo)航姿態(tài)信息并輸出。采用本發(fā)明能夠提高目前已有的捷聯(lián)航姿參考系統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。與本發(fā)明不同之處無(wú)電子羅盤(pán)校準(zhǔn)模塊以及由電子羅盤(pán)校準(zhǔn)的引入而帶來(lái)的動(dòng)態(tài)姿態(tài)補(bǔ)償。
[0010]非專利文獻(xiàn):(I)萬(wàn)曉鳳，康力平，余運(yùn)俊，林偉財(cái).基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的四旋翼飛行器的姿態(tài)解算.科技導(dǎo)報(bào)，2014,32(19):31-35.選擇基于加速度計(jì)、電子羅盤(pán)與陀螺儀的捷聯(lián)式慣性測(cè)量系統(tǒng)，采用卡爾曼濾波算法，通過(guò)融合多個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，解算出高精度的姿態(tài)角。該文獻(xiàn)只給出基本解算邏輯，未給出具體結(jié)算流程以及針對(duì)結(jié)算流程的系統(tǒng)，同時(shí)與本發(fā)明不同之處為無(wú)電子羅盤(pán)校準(zhǔn)模塊以及由電子羅盤(pán)校準(zhǔn)的引入而帶來(lái)的動(dòng)態(tài)姿態(tài)補(bǔ)償。(2)鄭健.基于9軸傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn).電子科技大學(xué),2013.系統(tǒng)由加速度計(jì)、陀螺儀和電子羅盤(pán)組成，通過(guò)提取傳感器的信息并進(jìn)一步濾波處理，剝離干擾信號(hào)提高系統(tǒng)精度。針對(duì)不同傳感器及使用環(huán)境，采用不同的姿態(tài)解算及信號(hào)融合算法，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可靠穩(wěn)定的姿態(tài)參考系統(tǒng)。與本發(fā)明的不同之處為:無(wú)電子羅盤(pán)校準(zhǔn)模塊以及由電子羅盤(pán)校準(zhǔn)的引入而帶來(lái)的動(dòng)態(tài)姿態(tài)補(bǔ)償；同時(shí)，本發(fā)明可實(shí)時(shí)地、精確地排除干擾磁場(chǎng)，能測(cè)算出較為準(zhǔn)確的航向角。(3)胡超，艾國(guó)祥，龐峰，李圣明，馬利華.一種提高電子羅盤(pán)航向和姿態(tài)測(cè)量精度的新方法.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,49(2):158-168.討論了電子羅盤(pán)航向和姿態(tài)測(cè)量的基本原理，推導(dǎo)了姿態(tài)測(cè)量誤差和航向測(cè)量誤差的數(shù)學(xué)模型，分析了滾轉(zhuǎn)角和航向角測(cè)量誤差隨俯仰角增大而增大的原因，提出了一種提高航向和姿態(tài)測(cè)量精度的新方法。該文獻(xiàn)只給出基本解算邏輯，未給出具體結(jié)算流程以及針對(duì)結(jié)算流程的系統(tǒng)，同時(shí)與本發(fā)明不同之處為無(wú)電子羅盤(pán)校準(zhǔn)模塊以及由電子羅盤(pán)校準(zhǔn)的引入而帶來(lái)的動(dòng)態(tài)姿態(tài)補(bǔ)償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種自動(dòng)電子羅盤(pán)校準(zhǔn)輔助式的航姿參考系統(tǒng)及方法，在無(wú)需提前手動(dòng)校正的情況下，提高了便攜式航姿參考系統(tǒng)的姿態(tài)解算精度和適用性，克服了現(xiàn)有技術(shù)對(duì)磁場(chǎng)干擾的適應(yīng)性不強(qiáng)，姿態(tài)解算的魯棒性不高等不足，對(duì)慣性導(dǎo)航、航姿測(cè)算等領(lǐng)域的工程實(shí)踐具有一定的參考指導(dǎo)意義。
[0012]本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種自動(dòng)電子羅盤(pán)校準(zhǔn)輔助式的航姿參考系統(tǒng)，包括:含多種算法的航姿參考系統(tǒng)AHRS(Altitude and Heading Reference System)和承擔(dān)在線磁場(chǎng)糾正功能的羅盤(pán)糾正系統(tǒng)MCS(Magnetometer Correct1n System);其中AHRS作為主機(jī)包括:主控制器，慣性傳感器組，運(yùn)行在主控制器中的傳感器校準(zhǔn)算法、在線磁場(chǎng)糾正算法、姿態(tài)補(bǔ)償算法和級(jí)聯(lián)濾波器;慣性傳感器組包括三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸電子羅盤(pán)，提供慣性姿態(tài)數(shù)據(jù);MCS作為從機(jī)，包括:協(xié)處理器，兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)，運(yùn)行在協(xié)處理器的磁場(chǎng)建模模塊；
[0013]主機(jī)AHRS開(kāi)始工作時(shí)，慣性傳感器組中的陀螺儀首先通過(guò)陀螺儀校準(zhǔn)算法進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理得到水平傾角初值；
[0014]從機(jī)MCS通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)控制兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，三軸電子羅盤(pán)實(shí)時(shí)通動(dòng)態(tài)采集周圍三軸磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，在一定時(shí)間內(nèi)得到三軸磁場(chǎng)強(qiáng)度若干樣本點(diǎn)并截留三軸磁場(chǎng)強(qiáng)度的