基于Kalman滤波算法的姿态传感器信号融合技术研究.pdf

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1、82传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2013年第32卷第12期基于Kalman滤波算法的姿态传感器信号融合技术研究陈航科，张东升，盛晓超，王凯(西安交通大学，陕西西安710049)摘要：针对应用三轴陀螺仪和三轴加速度传感器的四旋翼飞行器姿态角测量问题，提出了基于Kalman滤波算法的姿态传感器信号融合方法。该方法将陀螺仪输出的角速度误差作为时变误差处理，认为陀螺仪输出的角速度误差与其所测角速度及上一时刻的角速度输出误差相关，并据此建立陀螺仪测量线性方程，在此基础上，应用Kalman滤波算法，以加速度计输出的姿态

2、角对陀螺仪测量的姿态角进行修正，从而达到姿态角准确测量的目的。实验结果表明：应用Kalman滤波算法对加速度传感器和陀螺仪信号融合后可有效消除姿态角测量累积误差并显著改善姿态角测量的动态特性。关键词：姿态角测量；Kalman滤波；信号融合；加速度计；陀螺仪中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1000-9787(2013)12-0082-04ResearchonsignalfusiontechnologyofattitudesensorbasedonKalmanfilteringalgorithmCHENHang—ke，ZHANGDong—sheng，SHEN

3、GXiao—chao，WANGKai(Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，China)Abstract：Aimingatmeasurementproblemofattitudeangleofthefour—rotoraircraft，usingthreeaxisaceelerometerandgyro，proposeanattitudesignalfusionmethodbasedonKalmanfilteringalgorithm．Inthismethod，theangularvelocityerroroutputbygyrois

4、processedastimevariableerror，andthisvariableeroristakentoberelatedwithangularvelocityerorwhichgyrooutputinlastmeasuringtimeaswellaswiththeattitudeanglewhichwillbemeasured．Accordingtothis，gyrolinearmeasurementequationisestablished．Onthisbasis，theattitudeangleoutputbygyroismodifiedbytheat

5、titudeangleoutputbytheaccelerometerusingofKalmanfilteringalgorithm，SOastoachieveaccuratemeasurementofattitudeangle．Theexperimentalresuhsshowthat，afterusingKalmanfilteringalgorithmtofuseaccelerationsensorandsignalgyro，itcaneffectivelyeliminatetheaccumulativeerrorandsignificantlyimprovedy

6、namiccharacteristicsofattitudeanglemeasurement．Keywords：attitudeanglemeasurement；Kalmanfiltering；signalfusion；aeeelerometer；gyro0引言目的。然而由于实际应用中陀螺仪误差的时变性，上述姿准确的实时姿态角获取是四旋翼飞行器姿态控制的关态信号融合算法难以将陀螺仪误差有效修正。键技术。MEMS陀螺仪由于其良好的动态测量特性和低廉本文将陀螺仪输出的角速度误差被视为时变信号，认的成本，成为四旋翼飞行器姿态角测量的理想选择。然而为其大小与陀螺仪所测角速度及

7、上时刻输出误差相关，在由于本身特性的限制，目前大多数MEMS陀螺仪均存在漂此基础上，应用加速度传感器配合Kalman滤波算法对陀螺移问题』，单独使用陀螺仪完成姿态角测量必然导致较仪的姿态角测量误差进行必要修正，从而提高姿态角的测大的静态误差。实际应用中，一般采用三轴加速度计和三量精度，同时也改善了姿态角测量的动态特性。轴陀螺仪配合测算飞行器姿态角，这就要求实现陀螺1陀螺仪姿态角测量的线性模型仪与加速度传感器的信号融合。传统的姿态传感器信号融陀螺仪的输入是四旋翼飞行器绕其机身坐标系轴线的合多将陀螺仪输出角速度误差作为常值误差处理，并配合角速度，其有效输