一種雙軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)測量系統(tǒng)及其測量方法
【專利摘要】一種雙軸旋轉(zhuǎn)慣性測量單元的姿態(tài)測量系統(tǒng)及其方法，屬于慣性導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】。該裝置包括慣性測量單元、第一旋轉(zhuǎn)平臺、第二旋轉(zhuǎn)平臺、驅(qū)動電路、控制器和計算單元等。該裝置通過第一旋轉(zhuǎn)平臺控制慣性測量單元旋轉(zhuǎn)，進而利用旋轉(zhuǎn)前后不同姿態(tài)下陀螺儀和加速度計所計算的傾角變化差值來估計陀螺儀的漂移。同時，通過第二旋轉(zhuǎn)平臺可以改變第一旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)軸方向，克服了當(dāng)?shù)谝恍D(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)軸和重力方向重合時其旋轉(zhuǎn)不能改變傾角而使得漂移估計失效的問題，并能避開用歐拉角的姿態(tài)描述方法存在的奇異點。本發(fā)明可為室內(nèi)、強磁干擾等作業(yè)環(huán)境下的機器人等應(yīng)用對象提供姿態(tài)測量信息。
【專利說明】一種雙軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)測量系統(tǒng)及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用慣性測量單元進行姿態(tài)測量的系統(tǒng)及方法，特別涉及一種雙軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)測量系統(tǒng)及其測量方法，屬于慣性導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]基于慣性測量單元的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種不依賴于外部信息的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，其主要問題是長時間的姿態(tài)測量會因陀螺儀的漂移而積累發(fā)散。已有姿態(tài)估計方法，需要通過磁場計或GPS等外部輔助傳感器來對姿態(tài)誤差進行修正和補償。這些方法的不足之處在于:當(dāng)作業(yè)環(huán)境中磁強計和GPS信號因強磁干擾、室內(nèi)等因素而不可靠時，這些附加傳感器以及相關(guān)的誤差修正方法的應(yīng)用受到限制。
[0003]研究發(fā)現(xiàn)通過旋轉(zhuǎn)改變慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,簡稱IMU)的傾角(包括姿態(tài)角中的橫滾角和俯仰角)的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不依賴于外界傳感器而估計陀螺儀漂移并減小定位誤差。但利用單軸旋轉(zhuǎn)改變慣性測量單元傾角的方法存在問題:當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸方向和重力方向重合的特殊情況時，旋轉(zhuǎn)因無法改變慣性測量單元的傾角而會失效。此夕卜，基于歐拉角表達的姿態(tài)角計算方法中存在的姿態(tài)角奇異問題也需要解決。
[0004]已有的單軸或多軸旋轉(zhuǎn)慣性器件的裝置及方法，如專利“一種雙軸旋轉(zhuǎn)光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置”(CN102980578)，通過控制慣性器件隨旋轉(zhuǎn)機構(gòu)往復(fù)轉(zhuǎn)動將誤差調(diào)制成周期變化的形式，在導(dǎo)航解算過程中利用積分運算將誤差抵消來減小系統(tǒng)誤差的積累，提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的長航時導(dǎo)航精度。這類裝置及方法的不足之處在于:不具有漂移估計的功能，當(dāng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)自身姿態(tài)變化使得旋轉(zhuǎn)運動無法將漂移互相抵消時，裝置及方法應(yīng)用受到限制，同時也不具有克服姿態(tài)角奇異問題的功能。專利“Inertial measurement system withself correction” (US8010308)提出了通過繞水平軸的旋轉(zhuǎn),利用加速度計估計陀螺處于鉛垂方向時的漂移以修正航向角的方法。該方法需要確保旋轉(zhuǎn)軸繞水平方向以保證修正精度，不適用于IMU姿態(tài)角處于任意值的情形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)的不足之處，提供一種雙軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)測量系統(tǒng)及其測量方法，提高室內(nèi)、磁干擾等環(huán)境下長時間的姿態(tài)估計精度，同時克服歐拉角計算過程中的姿態(tài)角奇異問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明所述的一種雙軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于:包括慣性測量單元、第一旋轉(zhuǎn)平臺、第二旋轉(zhuǎn)平臺、驅(qū)動電路、控制器和計算單元；所述的第一旋轉(zhuǎn)平臺包括第一基座、旋轉(zhuǎn)架和第一旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備；慣性測量單元固接于第一旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)架上，所述的旋轉(zhuǎn)架套固在第一旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸上，所述的旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備固接在第一基座上；所述的第二旋轉(zhuǎn)平臺包括第二基座和第二旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備；所述的第一基座套固在第二旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸上，所述的第二旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備固接在第二基座上；所述的第一旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備和第二旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備通過驅(qū)動電路與控制器的信號輸出端相連；所述的控制器通過驅(qū)動電路控制第一旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備實現(xiàn)慣性測量單元繞第一旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動；所述的控制器通過驅(qū)動電路控制第二旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備實現(xiàn)第一旋轉(zhuǎn)平臺繞第二旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動；所述慣性測量單元的輸出端通過信號線和計算單元的輸入端相連，所述的計算單元可獲取慣性測量單元采集的運動信號并做實時計算。
[0008]本發(fā)明所述的控制器和計算單元采用帶有相關(guān)接口電路的計算機或微控制器。
[0009]本發(fā)明所述的姿態(tài)測量方法，其特征在于該方法包括以下步驟:
[0010]a)通過慣性測量單元所集成的陀螺儀和加速度計測量角速率和加速度；通過陀螺儀測量的角速率計算時間間隔At內(nèi)慣性測量單元的傾角的變化數(shù)值:
【權(quán)利要求】
1.一種雙軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于:包括慣性測量單元(I)、第一旋轉(zhuǎn)平臺(2)、第二旋轉(zhuǎn)平臺(3)、驅(qū)動電路(4)、控制器(5)和計算單元(6);所述的第一旋轉(zhuǎn)平臺包括第一基座(21)、旋轉(zhuǎn)架(22)和第一旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備(23);慣性測量單元固接于第一旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)架上，所述的旋轉(zhuǎn)架套固在第一旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸(231)上，所述的旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備固接在第一基座上；所述的第二旋轉(zhuǎn)平臺包括第二基座(31)和第二旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備(32);所述的第一基座套固在第二旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸(321)上，所述的第二旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備固接在第二基座上；所述的第一旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備和第二旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備通過驅(qū)動電路與控制器的信號輸出端相連；所述的控制器通過驅(qū)動電路控制第一旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備實現(xiàn)慣性測量單元繞第一旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運動；所述的控制器通過驅(qū)動電路控制第二旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備實現(xiàn)第一旋轉(zhuǎn)平臺繞第二旋轉(zhuǎn)電磁設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運動；所述慣性測量單元的輸出端通過信號線和計算單元的輸入端相連，所述的計算單元可獲取慣性測量單元采集的運動信號并做實時計算。
2.一種采用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的姿態(tài)測量方法，其特征在于該方法包括以下步驟: a)通過慣性測量單元所集成的陀螺儀和加速度計測量角速率和加速度； b)通過陀螺儀測量的角速率計算時間間隔At內(nèi)慣性測量單元的傾角的變化數(shù)值
3.如權(quán)利要求2所述的姿態(tài)測量方法，其特征在于所述的歐拉角采用如下定義: 導(dǎo)航坐標(biāo)系定義為onxnynzn ;慣性測量單元坐標(biāo)系定義為obxbybzb ;導(dǎo)航坐標(biāo)系onxnynzn繞zn車由轉(zhuǎn)(-Ψ)角得ox3y3z3,ox3y3z3繞X3車由轉(zhuǎn)Θ角得ox2y2z2, ox2y2z2再繞y2車由轉(zhuǎn)Φ角，則得慣性測量單元坐標(biāo)系obxbybzb ;從導(dǎo)航坐標(biāo)系到慣性測量單元坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣R就是慣性測量單元的姿態(tài)矩陣:
4.權(quán)利要求3所述的姿態(tài)測量方法，其特征在于:所述的第一旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置為與慣性測量單元坐標(biāo)系的yb軸重合。
【文檔編號】G01C21/16GK103727939SQ201310751255
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】吳哲明, 孫振國, 張文增, 陳強 申請人:清華大學(xué)