基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计补偿方法及装置

摘要

基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计补偿方法及装置，属于惯性导航技术领域。该装置由惯性测量单元、旋转平台、控制单元和计算单元构成；惯性测量单元通过集成的陀螺仪和加速度计分别测量角速率和加速度；计算单元通过角速率和加速度分别计算惯性测量单元的倾角数值；旋转平台控制惯性测量单元旋转以改变姿态；通过旋转前后不同姿态下的倾角数值和陀螺漂移的数学关系实现陀螺漂移的估计，并补偿漂移以提高姿态定位精度。本发明的特点在于：无需磁场计或GPS等外部传感器的辅助，仅通过控制惯性测量单元旋转即可估计陀螺仪的漂移，减少长时间内姿态角尤其是航向角的积累误差。

主权项

一种基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：1)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；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 Δφ Δθ g : Δφ Δθ g = sin φ tan θ 1 - cos φ tan θ cos φ 0 - cos φ sec θ ω x ω y ω z Δt - - - ( 1 ) 式中 ω x ω y ω z 是陀螺仪测量得到的角速率，φ为横滚角，θ为俯仰角， Δφ Δθ g 为通过角速率计算的倾角变化值；2)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，并获得时间间隔Δt内倾角变化 Δφ Δθ a : φ θ = a tan 2 ( - A mx , - A mz ) arcsin ( A my | | A m | | ) - - - ( 2 ) 3)式中是Amx、Amy、Amz分别为三轴加速度计测量的加速度，Am=[Amx  Amy  Amz]， Δφ Δθ a 为通过加速度计算的倾角变化值；4)计算2）获得的倾角变化 Δφ Δθ g 和3）获得的倾角变化 Δφ Δθ a 的差值r： r = Δφ Δθ g - Δφ Δθ a - - - ( 3 ) 5)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， V = sin φ tan θ 1 - cos φ tan θ sin φ sec θ 0 cos φ sec θ ; 6)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′；7)重复步骤1)～5)，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， V ′ = sin φ ′ tan θ ′ 1 - cos φ ′ tan θ ′ sin φ ′ sec θ ′ 0 cos φ ′ sec θ ′ ; 8)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。