一种双轴旋转的姿态测量系统及其测量方法

摘要

一种双轴旋转惯性测量单元的姿态测量系统及其方法，属于惯性导航技术领域。该装置包括惯性测量单元、第一旋转平台、第二旋转平台、驱动电路、控制器和计算单元等。该装置通过第一旋转平台控制惯性测量单元旋转，进而利用旋转前后不同姿态下陀螺仪和加速度计所计算的倾角变化差值来估计陀螺仪的漂移。同时，通过第二旋转平台可以改变第一旋转平台的旋转轴方向，克服了当第一旋转平台的旋转轴和重力方向重合时其旋转不能改变倾角而使得漂移估计失效的问题，并能避开用欧拉角的姿态描述方法存在的奇异点。本发明可为室内、强磁干扰等作业环境下的机器人等应用对象提供姿态测量信息。

主权项

一种双轴旋转的姿态测量方法，其特征在于：所述方法采用的测量系统包括惯性测量单元(1)、第一旋转平台(2)、第二旋转平台(3)、驱动电路(4)、控制器(5)和计算单元(6)；所述的第一旋转平台包括第一基座(21)、旋转架(22)和第一旋转电磁设备(23)；惯性测量单元固接于第一旋转平台的旋转架上，所述的旋转架套固在第一旋转电磁设备的旋转轴(231)上，所述的第一旋转电磁设备固接在第一基座上；所述的第二旋转平台包括第二基座(31)和第二旋转电磁设备(32)；所述的第一基座套固在第二旋转电磁设备的旋转轴(321)上，所述的第二旋转电磁设备固接在第二基座上；所述的第一旋转电磁设备和第二旋转电磁设备通过驱动电路与控制器的信号输出端相连；所述的控制器通过驱动电路控制第一旋转电磁设备实现惯性测量单元绕第一旋转电磁设备的旋转轴做旋转运动；所述的控制器通过驱动电路控制第二旋转电磁设备实现第一旋转平台绕第二旋转电磁设备的旋转轴做旋转运动；所述惯性测量单元的输出端通过信号线和计算单元的输入端相连，所述的计算单元可获取惯性测量单元采集的运动信号并做实时计算；所述姿态测量方法包括以下步骤：a)通过惯性测量单元所集成的陀螺仪和加速度计测量角速率和加速度；b)通过陀螺仪测量的角速率计算时间间隔Δt内惯性测量单元的倾角的变化数值${\left(\begin{array}{c}\Delta \phi \\ \Delta \theta \end{array}\right)}_g=\left(\begin{array}{ccc}\sin \phi \tan \theta & 1& -\cos \phi \tan \theta \\ \cos \phi & 0& -\cos \phi \sec \theta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\omega }_x\\ {\omega }_y\\ {\omega }_z\end{array}\right)\Delta t---\left(1\right)$式中是陀螺仪测量得到的角速率，φ为横滚角，θ为俯仰角，为通过角速率计算的倾角变化值；c)通过加速度计测量的加速度利用公式(2)计算惯性测量单元的倾角，并通过不同时刻的获得时间间隔Δt内通过加速度计算的倾角变化值$\left(\begin{array}{c}\phi \\ \theta \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}atan2(-A_{mx},-A_{mz})\\ \arcsin \left(\frac{A_{my}}{\left|\right|A_m\left|\right|}\right)\end{array}\right)---\left(2\right)$式中，A_mx、A_my、A_mz分别为三轴加速度计测量的加速度，A_m＝[A_mx A_my A_mz]；d)计算b)获得的倾角变化和c)获得的倾角变化的差值r：$r={\left(\begin{array}{c}\Delta \phi \\ \Delta \theta \end{array}\right)}_g-{\left(\begin{array}{c}\Delta \phi \\ \Delta \theta \end{array}\right)}_a---\left(3\right)$e)确定横滚角为φ、俯仰角为θ时倾角变化的差值r和陀螺漂移b的数学关系式：r＝Vb    (4)式中，f)控制惯性测量单元旋转，旋转轴方向的单位向量为u，旋转角度为Δα，旋转后的新姿态下的横滚角为φ′、俯仰角为θ′；g)重复步骤a)～e)，通过加速度计在旋转后的新姿态下测量的加速度，利用公式(2)确定横滚角φ′、俯仰角θ′的值，并确定横滚角为φ′、俯仰角为θ′时倾角变化的差值r’和陀螺漂移b的数学关系式：r′＝V′b    (5)式中，h)联立旋转前后不同姿态下的数学关系式，通过最小二乘法计算陀螺仪的漂移并补偿陀螺仪角速率，输出校正后的姿态测量结果；i)当第一旋转平台的旋转轴方向与重力方向接近平行时，通过第二旋转平台将第一旋转平台连同惯性测量单元旋转角度45°～90°，使得第一旋转平台的旋转轴和重力方向成一个夹角后，重复步骤a)～h)，输出姿态测量结果。