一种基于MEMS传感器的全局渐进稳定的姿态估计算法

摘要

针对微小型无人飞行器的控制对高精度、小体积、低功耗的姿态信息的需求,提出了一种实用的基于MEMS传感器的姿态解算算法,实现了在低加速度状态下对飞行器姿态的精准估计.该算法将MEMS陀螺仪、加速度计和磁力计的数据作为输入,采用一种全局渐进稳定的状态观测器方法对3种传感器数据进行融合,进而得到欧拉角输出.首先,针对实际航姿参考系统(AHRS)设计的需求,改进了TRIAD算法,使用加速度计和磁力计的量测向量来估计姿态旋转矩阵.与传统方法相比,该方法避免了矩阵的求逆过程.其次,在获得了量测向量确定的姿态旋转矩阵的基础上,设计了无需观测陀螺仪零偏的状态观测器,并证明了姿态角的收敛性.最后,基于实际MEMS传感器采样数据的仿真结果表明,在存在陀螺仪噪声和零偏的情况下,文中设计的状态观测器输出依然具有较高的精度和较好的动态特性.