一种双轴旋转的姿态测量系统及其测量方法技术方案

一种双轴旋转的姿态测量系统，其特征在于：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。

【技术实现步骤摘要】
一种双轴旋转的姿态测量系统及其测量方法
本专利技术涉及一种利用惯性测量单元进行姿态测量的系统及方法，特别涉及一种双轴旋转的姿态测量系统及其测量方法，属于惯性导航

技术介绍
基于惯性测量单元的惯性导航系统是一种不依赖于外部信息的自主导航系统，其主要问题是长时间的姿态测量会因陀螺仪的漂移而积累发散。已有姿态估计方法，需要通过磁场计或GPS等外部辅助传感器来对姿态误差进行修正和补偿。这些方法的不足之处在于：当作业环境中磁强计和GPS信号因强磁干扰、室内等因素而不可靠时，这些附加传感器以及相关的误差修正方法的应用受到限制。研究发现通过旋转改变惯性测量单元(InertialMeasurementUnit,简称IMU)的倾角(包括姿态角中的横滚角和俯仰角)的方法，能够实现不依赖于外界传感器而估计陀螺仪漂移并减小定位误差。但利用单轴旋转改变惯性测量单元倾角的方法存在问题：当旋转轴方向和重力方向重合的特殊情况时，旋转因无法改变惯性测量单元的倾角而会失效。此外，基于欧拉角表达的姿态角计算方法中存在的姿态角奇异问题也需要解决。已有的单轴或多轴旋转惯性器件的装置及方法，如专利“一种双轴旋转光纤捷联惯性导航装置”(CN102980578)，通过控制惯性器件随旋转机构往复转动将误差调制成周期变化的形式，在导航解算过程中利用积分运算将误差抵消来减小系统误差的积累，提高惯导系统的长航时导航精度。这类装置及方法的不足之处在于：不具有漂移估计的功能，当惯性导航系统自身姿态变化使得旋转运动无法将漂移互相抵消时，装置及方法应用受到限制，同时也不具有克服姿态角奇异问题的功能。专利“Inertialmeasurementsystemwithselfcorrection”(US8010308)提出了通过绕水平轴的旋转，利用加速度计估计陀螺处于铅垂方向时的漂移以修正航向角的方法。该方法需要确保旋转轴绕水平方向以保证修正精度，不适用于IMU姿态角处于任意值的情形。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种双轴旋转的姿态测量系统及其测量方法，提高室内、磁干扰等环境下长时间的姿态估计精度，同时克服欧拉角计算过程中的姿态角奇异问题。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术所述的一种双轴旋转的姿态测量系统，其特征在于：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；所述的第一旋转平台包括第一基座、旋转架和第一旋转电磁设备；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上，所述的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和第二旋转电磁设备；所述的第一基座套固在第二旋转电磁设备的旋转轴上，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的旋转运动；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的旋转运动；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。本专利技术所述的控制器和计算单元采用带有相关接口电路的计算机或微控制器。本专利技术所述的姿态测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：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：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式中，Amx、Amy、Amz分别为三轴加速度计测量的加速度，Am＝[AmxAmyAmz]；d)计算b)获得的倾角变化和c)获得的倾角变化的差值r：e)确定横滚角为φ、俯仰角为θ下，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′下，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。本专利技术所述的姿态测量方法，其特征在于所述的横滚角和俯仰角采用如下定义：导航坐标系定义为onxnynzn；惯性测量单元坐标系定义为obxbybzb；导航坐标系onxnynzn绕zn轴转(-ψ)角得ox3y3z3，ox3y3z3绕x3轴转θ角得ox2y2z2，ox2y2z2再绕y2轴转φ角，则得惯性测量单元坐标系obxbybzb；从导航坐标系到惯性测量单元坐标系的转换矩阵R就是惯性测量单元的姿态矩阵：式中φ为横滚角，θ为俯仰角，ψ为航向角。本专利技术所述的姿态测量方法，其特征在于所述的第一旋转设备的旋转轴设置为与惯性测量单元坐标系的yb轴重合。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点和显著进步：该系统利用双轴旋转惯性测量单元的方案实现了仅用惯性测量单元集成的陀螺仪和加速度计就能估计陀螺仪漂移并修正姿态，相比常用的以磁强计或GPS辅助修正姿态估计误差的方法，不受室内、磁干扰等环境的限制，并且能避开用欧拉角描述方法来计算姿态中的奇异点。附图说明图1是本专利技术提供的实施例的三维示意图。图2是本专利技术提供的实施例的各部件之间的连接示意图。图3是本专利技术的姿态测量方法的流程示意图。在图1至图3中：1－惯性测量单元，2－第一旋转平台，3－第二旋转平台，4－驱动电路，21－第一基座，22－旋转架，23－第一旋转电磁设备，31－第二基座，32－第二旋转电磁设备，231－旋转轴，23－旋转电磁设备，31－驱动电路，5－控制器，6－计算单元。具体实施方式下面结合附图及实施例进一步详细说明本专利技术工作原理、具体结构的内容。本专利技术提供的双轴旋转的姿态测量系统的实施例，如图1、图2所示，该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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双轴旋转的姿态测量系统，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一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式中，Amx、Amy、Amz分别为三轴加速度计测量的加速度，Am＝[AmxAmyAmz]；d)计算b)获得的倾角变化和c)获得的倾角变化的差值r：

【专利技术属性】
技术研发人员：吴哲明，孙振国，张文增，陈强，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：