小型航姿参考系统设计
小型尾坐式飞行器航姿参考系统
ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ （ Ａ Ｈ Ｒ Ｓ ）ｉ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ． Ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｗ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｍ Ｅ ＭＳ ｉ ｎ ｅ ｒ ｔ ｉ ａ ｌ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｓ ， ａ ｋ ｉ ｎ ｄ ｏ ｆ ｍ ｉ ｘ ｅ ｄ Ｋ ａ ｌ ｍ ａ ｎ ｉ ｆ ｌ －
ｉ ｓ ｐｅ ｒ ｆ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ． Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｔ ｕａ ｌ ｏ ｕｔ ｐ ｕ ｔ ｏ ｆ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ，ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｒ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎｇ ｔ ｈ ｉ ｓ ｃ ｈ ｏ ｓ ｅ ｎ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｄ ｑ ｕ ａ ｎ ｔ ｉ ｔ ｙ ．Ｅｘ ｐ ｅ ｉｍｅ ｒ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐｏ ｓ ｅ ｄ ａ ｌ ｇ ｏ ｉｔ ｒ ｈ ｍ ｃ ａ ｎ ｍｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｍｓ ｏ ｆ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ ｅ ｆ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ． Ｓ ｏ ， ｉ ｔ ｉ ｓ ｍｏ ｒ ｅ ｓ ｕｉ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｆ ｏ ｒ ａ ｉ ｒ ｃ ｒ ａ ｆ ｔ ｓ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｉ ｎ ｇ ｈ ｉ ｇ ｈ ｒ ｅ ａ ｌ － ｔ ｉ ｍｅ
小型尾 坐式 飞行 器航姿 参 考 系统
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小 型 尾 坐 式 飞 行 器 航 姿 参 考 系统
微型飞行器控制系统设计与优化
微型飞行器控制系统设计与优化随着技术的不断发展，微型飞行器（Micro Aerial Vehicles， MAVs）作为实现任务自主化、增强监控能力等领域的重要手段，受到越来越多的关注。
微型飞行器具有灵活性强、机动性好、能快速地适应环境变化等特点，因此受到广泛关注和应用。
但是，微型飞行器由于其小尺寸和轻质特性，其控制系统方面面临的挑战非常大。
如何设计和优化微型飞行器控制系统，也成为研究的焦点。
一、微型飞行器控制系统设计微型飞行器控制系统需要完成的任务包括姿态控制、高度控制、定位和导航等。
姿态控制是微型飞行器控制系统的核心任务，是指通过控制微型飞行器的姿态来实现其运动控制。
传统的姿态控制方法包括PID控制和线性控制方法。
但是由于微型飞行器存在的非线性和不确定因素，传统的控制方法难以满足微型飞行器的需求。
因此，越来越多的研究者选择基于模型的方法来实现微型飞行器的控制。
基于模型的方法可以通过对微型飞行器的物理特性进行数学建模，然后通过计算机模拟来设计控制算法。
另外，微型飞行器控制系统还需要考虑整个系统的可靠性和实时性。
一个高效的微型飞行器控制系统应该能够实时地处理各种传感器反馈信息，并快速地作出响应。
这需要在设计控制系统时，合理地选择各种控制算法和传感器，并通过优化控制算法来进一步提高控制系统的效率。
二、微型飞行器控制系统优化微型飞行器的控制系统所面临的问题是多方面的，其中最主要的问题是飞行稳定性。
飞行稳定性是指微型飞行器能够保持稳定的飞行状态，能够在不受干扰的情况下自主飞行。
要实现微型飞行器的飞行稳定性，需要通过控制算法来对微型飞行器的姿态、高度、定位和导航进行控制。
针对这些问题，可以采用以下优化策略：1. 提高系统的控制精度。
由于微型飞行器的体积小，结构简单，所以其控制系统的控制精度受到了限制。
针对这些问题，可以使用卡曼滤波器来处理系统的噪声，从而提高控制精度。
2. 增加传感器的数量和种类。
传感器的数量和种类对微型飞行器的控制系统非常重要。
3DM-E10A用户指南
MAHRS
3DM-E10A
用 户 指 南
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2012 年 6 月10 日
3DM-E10A 用户指南
Version 1.31
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3DM-E10A 用户指南
Version 1.31
1. 简介
微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-E10A 系列是一款微型的全姿态测量传感装置，它由三轴 MEMS 陀螺、三轴 MEMS 加速度计、三轴磁阻型磁强计等三种类型的传感器构成。三轴陀螺用于 测量载体三个方向的绝对角速率，三轴加速度计用于测量载体三个方向的加速度，在系统工作中， 主要作用是感知系统的水平方向的倾斜，并用于修正陀螺在俯仰和滚动方向的漂移，三轴磁阻型磁 强计测量三维地磁强度，用于提供方向角的初始对准以及修正航向角漂移。微型航姿参考系统 3DM-E10A 系列，可提供的输出数据有：原始数据、四元数、姿态数据等。
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3DM-E10A 用户指南
Version 1.31
电电源标准值为 DC+5.0V，数据线和电源线整合在一个接插装置中，方便使用，各引脚定义参见表 3。
6. 机械尺寸
微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-E10A 系列尺寸如图 3 所示。
图 3 微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-E10A 系列尺寸
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3DM-E10A 用户指南 4字节 4字节 4字节 4字节 1字节 四元数4 Z 滚动角 (deg) 俯仰角(deg) 方位角(deg) 校验位
Version 1.31
Quat3 Roll Pitch Yaw CS
52-55 56-59 60-63 64-67 68
表 10：AHRS1 命令-完全数据输出方式，连续输出 MID=0x82，单步输出 MID=0x83 字节段 PRE BID MID LEN GyroX GyroY GyroZ AccX AccY AccZ MagX MagY MagZ 字节数 1字节 1字节 1字节 1字节 4字节 4字节 4字节 4字节 4字节 4字节 4字节 4字节 4字节 字节号 0 1 2 3 4-7 8-11 12-15 16-19 20-23 24-27 28-31 32-35 36-39 描 述
高精度航姿参考系统(AHRS)
微机械惯性传感器优点：
低成本； 低功耗； 大量程； 体积小、重量轻； 易于数字化、智能化等； 高可靠性，内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工 作寿命长；
微机械惯性传感器缺点：
精度低……………
(1)传感器建模； (2)数据融合算法；
(3)软硬件设计；
(4)传感器标定；
自主 AHRS-3000
荷兰 MTI
姿态角性能：
抗线性加速度
抗线性加速度
静态
阶跃
我们的数据融合产品优势：
基于多种传感器信息融合，姿态和航向角可以获 得更高精度的动态（高带宽）和静态指标； 基于多种传感器信息融合，姿态角可以实现更好 的抗震性能； 基于多种传感器信息融合，航向角可以实现抵抗 短时磁场干扰；
北磁极
地球磁场
非常感谢！
赤道
oll
pitch
俯仰角误差造成的航向角误差
结论：（1）俯仰角和横滚角的误差都会影响航向角精度，所 以必须进行磁场倾斜补偿； （2）必须提高姿态角的精度，例如抗震性能；
结论：载体和周围环境的磁场都会影响航向角精度，所以必须 进行磁场软硬体补偿；
我们的磁场补偿优势：
提出全新磁场倾斜补偿模型，该模型考虑了俯仰 角和横滚角对磁场影响，实现全方位的磁场补偿； 提出全新磁场软硬体补偿算法，构建虚拟Z轴， 两维磁场补偿达到三维磁场补偿效果，适合车载系 统；
上海朗尚科贸有限公司 2013-05-08
MEMS惯性传感器
气压计传感器
运动载体的 姿态测量 位置测量
GPS传感器
组成元件 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 倾角仪 电子罗盘 垂直陀螺仪 航姿系统 室内导航系统 GPS/INS组合系统 多GPS测姿系统 多GPS/INS组合系统 完成 完成 完成 完成 完成 进入 筹划 筹划 产品系列 加速度计 陀螺仪 磁力计 气压计 单GPS 多GPS 阶段
航姿参考系统AHRS
高精度航姿参考系统AHRS3DT-10003DT-1000是一款高性能的小型航姿参考系统，可用于动静态环境下对载体的横滚角、俯仰角和航向角进行高精度测量。
高精度360 度全方位位置姿态输出，高效的数据融合算法快速动态响应与长时间稳定性（无漂移，无积累误差）相结合。
1、传感器建模3DT-1000是一款高性能的小型航姿参考系统，可用于动静态环境下对载体的横滚角、俯仰角和航向角进行高精度测量。
基于三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计，3DT-1000采用自适应kalman数据融合算法，可实时输出载体的惯性运动信息（三轴角速度、三轴加速度）、最优姿态角（横滚角、俯仰角和航向角）等参数，并且，通过对传感器的安装误差、轴间正交误差和温度误差进行补偿，极大地提高了3DT-1000的测量精度。
2、传感器的数据融合算法基于对陀螺仪、加速度计和磁力计的性能分析，3DT-1000以积分角速度的姿态角作为状态量、以重力加速度和地球磁场获得姿态角作为观测量、以载体运动状态信息建立增益调整因子，设计了基于四元数的自适应kalman滤波数据融合算法，获得载体在各个状态（静态和动态）下的最优姿态角，从而实现姿态和航向信息的快速动态和长时间稳定性（无漂移、无累计误差）相结合的效果。
为了获得高精度的载体姿态角，3DT-1000在进行传感器数据融合算法之前，对三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计进行了标定以及温度漂移等误差补偿。
默认情况下，3DT-1000以50Hz的输出频率，连续输出传感器信息，波特率默认为115200。
提供的硬件接口为UART232。
3、软硬件设计自主AHRS系统3DT-1000 荷兰VTi4、传感器标定1）俯仰角和横滚角的误差都会影响航向角精度，所以必须进行磁场倾斜补偿；必须提高姿态角的精度，例如抗震性能；俯仰角误差造成的航向角误差2）载体和周围环境的磁场都会影响航向角精度，所以必须进行磁场软硬体补偿；在产品应用过程中，周围肯定或多或少存在磁场干扰，如铁块等硬体；在应对这些干扰的情况，我们采用了磁场倾斜补偿和软硬体补偿：提出全新磁场倾斜补偿模型，该模型考虑了俯仰角和横滚角对磁场影响，实现全方位的磁场补偿；提出全新磁场软硬体补偿算法，构建虚拟Z轴，两维磁场补偿达到三维磁场补偿效果，适合车载系统；5、姿态角性能首先我们以数据的形式给出产品3DT-1000的姿态角性能参数抗线性加速度抗线性加速度静态阶跃下面我们给出AHRS 的3DT-1000的卓越的详细性能参数：参数指标单位 姿态角测量范围:俯仰角/横滚角 90±/180±度 静态精度 0.4 度 动态精度 1.5[1](RMS)度 分辨率 0.1 度 重复度 0.2 度 输出速率 100（MAX ）Hz 航向角 测量范围 180±度 静态精度 0.5[2] 度 动态精度 1.5[1](RMS)度 分辨率 0.1 度 重复度 0.2 度 输出速率 100（MAX ）Hz5应用：机器人虚拟现实云台姿态稳定随钻姿态测量车辆姿态监控其他姿态航向测量领域。
ACGS-01 微型AHRS航姿参考系统
产品介绍产品介绍ACGS-01 是CGSTECH 公司提供的基于MEMS 技术的低成本的，高性能三维运动姿态测量系统。
ACGS-01包含三轴陀螺仪、三轴加速度计（即IMU ），三轴电子罗盘等辅助运动传感器，通过内嵌的低功耗处理器输出校准过的角速度，加速度，磁数据等，通过基于四元数的Motion Sensor Fusion 算法进行数据融合，实时输出以四元数、欧拉角等表示的零漂移三维运动姿态数据。
ACGS-01可广泛应用于航模无人机、机器人、摄像云台、天线云台、地面及水下设备、虚拟现实、人体运动分析等需要低成本、高动态三维姿态测量的产品设备中。
ACGS-01微型AHRS 姿态方位参考系统姿态方位参考系统硬件系统高度集成硬件系统高度集成紧凑的外观设计，方便开发集成到其他的系统和应用中尺寸小，重量轻，功耗低具有高度的可扩展性，提供串口，SPI ，CAN 总线运动姿态捕捉显示系统运动姿态捕捉显示系统CGSTECH Explore 提供图形化的显示界面，使开发者对运动姿态所见即所得，通过使用CGSTECH Explore 内置工具可以迅速完成内置传感器的各种设置校准，包括软铁和硬铁的磁场校准，让开发者工作化繁为简，集中精力于系统设计输出模式输出模式三维全姿态数据（四元数 / 欧拉角 / 旋转矩阵） 三维加速度 / 三维角速度 / 三维地磁场强度可扩展性软件开发 SDKCGSTECH SDK 提供针对不同设备的多层次接口，保证用户不仅在桌面系统还是嵌入式设备都可以进行快速开发，满足系统开发的定制要求，使得用户在使用CGSTECH 系列产品时更加具有自主性特点高精度360 度全方位空间姿态输出。
无需水平静态下启动。
快速动态响应与长时间稳定性（无漂移，无积累误差）相结合。
全固态微型MEMS 惯性器件，三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场强度计高度集成9DOF 。
快速更新率，多种可编程的数据输出模式（四元数，欧拉角，旋转矩阵等）。
九轴MEMS微型AHRS设计及其在矢量水听器中的应用
九轴MEMS微型AHRS设计及其在矢量水听器中的应用王文龙;田德艳;崔宝龙;袁猛;姜兆祯
【期刊名称】《中国惯性技术学报》
【年(卷),期】2024(32)5
【摘要】为了精确测量矢量水听器的姿态,设计了一种体积为20 mm×20 mm×5 mm、重量为1.8 g的微型航姿参考系统(AHRS)。
利用微机电系统(MEMS)陀螺仪测定角速度,用四元数等效旋转矢量算法求解姿态角;采用扩展卡尔曼滤波器对姿态角估计值进行修正,并估计出MEMS陀螺仪的角速度漂移量。
测试结果表明,所提AHRS的俯仰、横滚和航向角误差均方根值分别为0.04°、0.04°和0.34°。
最后,将AHRS集成到矢量水听器中,并在加窗直方图统计波达方向估计算法中加入姿态修正。
海上实验结果表明,对于航速为8 kn的目标船,经AHRS修正后的单矢量水听器方位角误差均方根值约为3.8°,减小了平台运动导致的方位测量误差。
【总页数】7页(P468-474)
【作者】王文龙;田德艳;崔宝龙;袁猛;姜兆祯
【作者单位】海军潜艇学院;崂山实验室
【正文语种】中文
【中图分类】U666.1
【相关文献】
1.一种压电式MEMS矢量水听器设计
2.硅基压电MEMS球形矢量水听器设计
3.基于MEMS标矢量一体化水听器的浮标系统设计
4.硅基MEMS振速型矢量水听器设计
5.纤毛-硅柱结构MEMS二维矢量水听器设计与制备方法
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基于MAEKF算法的航姿参考系统设计
基于MAEKF算法的航姿参考系统设计王丁伟;祖家奎;黄海【摘要】An attitude and heading reference system(AHRS)is designed which is composed of low cost MEMS gyroscopes,accelerometers and magnetometer and a multiplicative adaptive extended kalman filter algorithm(MAEKF)is proposed based on the gravity field and magnetic field constructed measurement vector.In order to correct attitude and heading data,the MAEKF algorithm selects quaternion error and bias of gyroscopes as state vector.Then,the accurate measurement method is adopted to provide the filterwith normalized constraint.Furthermore,this paper presents an innovation-based formula which is used to estimate measurement noise covariance matrix.Finally,simulation and flight-test show that the designed AHRS can provide accurate attitude and heading pared with traditional extended kalman filter(EKF),the MAEKF algorithm effectively improves the accuracy,stability and robustness of the system.%构建了以低成本MEMS陀螺仪、加速度计和磁传感器组合的航姿参考系统,提出了一个乘性自适应扩展卡尔曼滤波算法.取乘性误差四元数和陀螺仪误差作为状态量,基于重力场和磁场构造了量测矢量,用于修正航姿数据.并采用准确量测法,给滤波器加入了四元数的归一化约束,最后给出了基于新息的估计量测噪声方差矩阵的公式.通过仿真和试飞验证,表明本文设计的低成本的航姿参考系统能够提供比较准确的航姿信息.与常规的扩展卡尔曼滤波器比较,本文设计的乘性自适应扩展卡尔曼滤波算法有效提高了系统的精度和稳定性,并且具有较好的鲁棒性.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2017(030)002【总页数】7页(P319-325)【关键词】航姿参考;乘性扩展卡尔曼滤波;自适应;误差四元数【作者】王丁伟;祖家奎;黄海【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,南京 210016;南京航空航天大学自动化学院,南京 210016;中创航空技术有限公司,浙江嘉兴 314000【正文语种】中文【中图分类】TJ765航姿参考系统能够准确测量载体的空间姿态信息。
航姿参考系统
耐威科技 北京市西城区裕民路 18 号北环中心 A 座 26 层（100029）
电话：010-5970 2077/88/99 传真：010-5970 2066 网址： 邮箱：info@
NAV Technology
性能指标
物理特性 电源
姿态和航向 陀螺仪
加速度计 测量范围 使用环境
200 ppm 200 ppm > 100 Hz 0.3 deg/h
< 1´ 0.3 mg 0.5 mg 0.5 mg 300 ppm 300 ppm 0.2 mg > 100 Hz
<1´ ±500 deg/s（可定制）
±35 g（可定制） >100 Hz @ 38,400 波特率
10 Kh MTBF RS232（RS422 可选）
NAV Technology
航姿参考系统 NV-AH300
NV-AH300
NV-AH300 航姿参考系统是一款高性能、低价位的惯性测
量设备，可用于姿态、航向、角速度和加速度等运动参数的动态 测量。姿态和角速度偏差通过具有适当增益的 6 态卡尔曼滤波器 得到最优估计，并用于高动态的环境中。
此产品采用高可靠性石英加速度计和高精度光纤陀螺仪组 成高性能的捷联惯性系统，同时密封设计以及严格工艺保证产品 在恶劣的环境下仍能精密地测量姿态、航向等运动参数。
外形尺寸
重量
电压
功耗
激活时间
静态初始化时间
静态精度
姿态 航向
动态精度
姿态 航向
固定温度零偏
全温范围零偏（-45°C ~70°C） 零偏重复性
标度因数非线性
标度因数重复性
带宽
分辨率/阈值 非正交误差
基于LPC3250的小型无人机航姿系统的设计
Ａｂ ｔａ ｔ Ｈｅ ｄ ｎ ｎ ｔｉ ｄ ｒ ｈ ｍｐ ｒａ ｔｐ ｒ ｍｅ ｅ ｆＵＡＶ （ ｎ ｎ ｅ ｅ ｉｌｖ ｈｃｅ ｌ ｈ ｓｒ ｃ ： ａ ｉｇ ａ ｄ ａ ｔ ｕ ｅａ ｅｔ ｅ ｉ ｏ ｔ ｎ ａ ａ ｔｒｏ ｔ ｕ ｍａ ｎ ｄ ａ ｒａ ｅ ｉｌ）ｆｉ ｔ ｇ
ａｔｉｕ ｙ ｔ ｍ ，ｗ ｈ ｃ ｓ ｄ ｓｇｎｅ ｙ ＬＰＣ３ ０ ｐｒ ｃ ｓ ｏｒ ｂ ｓ ｄ ｏｎ ＡＲＭ ９，Ｍ ＥＭ Ｓ Ｓ ｎｓ ｒ ａ ｍｏｒ ｔｔ ｄｅ ｓ ｓ ｅ ｉ ｈ ｉ ｅ ｉ ｄ ｂ ２５ ｏ ｅ ｓ ａ ｅ ｅ ｏ ｎｄ ｍｅ ｙ， ｃ ｎ ａ ｈｉｖ ａ ａ ＡＶ’ ｉ ｆ ｒ ａ ｉ ｎ ｏ ｅ ｄｉ ｎ ｔｉｕ ｎｄ ｇ ａ ｃ ｅ ｅ ｄ ｔ ｃ ｕｉｉｉ ａ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ， ｏ ｔ Ｕ ｎ ｏ ｍ ｔｏ ｆ ｈ ａ ｎｇ ａ ｄ ａ ｔｔ ｄｅ ａ ｏ ｏｎ
Ｗ ＡＮＧ ｕ — ｕ ， Ｈ ａ ｈ ｉ ＹＵ ＡＮ ｎ ｑｉ ＦＡＮ ｅ — ａ ｇ Ｄｏ ｇ ， Ｗ ｉｇ ｎ （ ｏ ｅ ｅｏ ｔｍ ｔ ｎ Ｎｏｔ ｗｅｔ ｎＰｏ ， ｃ ｎ ｃ ｌ ｎ ｖ ｒ ｔ Ｘｉａ １ １ ９ Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｇ Ａｕ ｏ ａ ｉ ， ｒ ｌ ｆ ｏ ｈ ｓ ｒ ６ ｔ ｈ ｉ ｉｅｓ ｙ， ’ ｎ ７ ０ ２ ， ｈ ｎ ） ｅ ｅ ａ Ｕ ｉ
ＡＲ Ｍ９处理器、 ＭＳ传感器 以及存储 器设 计无 人机航姿系统 ， ＭＥ 完成传感 器的数据采集与处理 ， 获得无人 机的航姿信息 ， 最后 进行数 据传输 。 Ｌ ｎ ｘ操 作系统嵌入到元人机航姿 系统 中， 将 ｉｕ 实现 系统 的实 时任务调度和进程 管理 。 结果显示 。 该系统达 到了
ＶｏＩ ３ Ｎｏ ４ ． ７。 ．
Ａｐ 。 ０１ ｒ ２ ２
小型无人机航姿测量系统的设计与实现
Ｅ Ｌ Ｅ 电子测试 Ｃ Ｔ Ｒ Ｏ Ｎ Ｉ Ｃ Ｔ Ｅ Ｓ Ｔ
第 ２ ０ Ｏ １ １ ３ 一 年 Ｏ ２ １ 期 月
小 型 无 人 机 航 姿测 量 系统 的设 计 与 实现
王 树 丛 桂 勋 陈 小 平
（ 电子 科 技 大 学航 空航 天 学 院 成都 ６ １ １ ７ ３ １ ）
ａ ｎ ｄ ｈｅ ａ ｄ ｉ ｎｇ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ
Ｗ ａ ｎｇ Ｓｈｕｃ ｏｎ ｇ Ｇｕ ｉ Ｘｕｎ Ｃｈｅ ｎ Ｘｉ ａ ｏｐ ｉ ｎｇ
（Ｓｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ａｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎｄ Ａｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ａ ｕｔ ｉ ｃ ｓ ， Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏｎ ｉ ｃ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｃｈ ｉ ｎ ａ， Ｃｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ ６ １ １ ７ ３ １， Ｃｈ ｉ ｎ ａ）
关 键 词 ：微 电 子 机 械 系 统 ； ＡＲＭ ； 陀 螺仪 ； 航姿 ； Ｓ Ｐ Ｉ 接口
中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｐ ２ ７ ４ ； Ｖ ２ ４ ３ 文 献 标 识码 ：Ａ
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｍａ ｌ ｌ ＵＡＶ ａ ｔ ｔ ｉ ｔ ｕ ｄｅ
的Ｓ Ｐ Ｉ 程 序 以 及 与 数 传 电 台通 信 的 串 口程 序 ， 完 成 了 精 确 测 量 某 小 型 无 人 机 姿 态 的 小 型 化 航 姿 系 统 软 硬 件 设 计 。最
后， 在 小 型 固定 飞 行 翼 ＵＡＶ 上 进 行 静 动 态 测 试 ， 测 得 其 航 姿 数据 ， 并通过 ３ Ｄ Ｒ Ｒ ａ ｄ ｉ ｏ Ｔ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｔ ｒ ｙ数 传 电 台将 航 姿 数 据 传 输 到地 面控 制 站 电脑 端 进 行 显 示 和 分 析 ， 为 以后 小 型 无 人 机 自主 飞 行 提 供 航 姿 参 数 。
一种小型舰船的航向姿态测量系统
接 口 电路 使 用 了ＳＴ１６Ｃ５５４芯片 作 为Ｃ５１单 片机 的 串 口扩展芯 片 ，实现４路 串 口通信 。这４路 串 口通信 可独
￣ ．－ ７－ｔｌｔ再 ·８３ ·
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ ·探 索 与 观 察
图 ２ ＲＳ４２２Ａ电 路
立控 制 发送和接 收 ，具有 可编程 的 串行 数据发 送格 式 。 ＳＴ１６Ｃ５５４与Ｃ５１单片机之 间的接 口包括 ：ＤＯ．Ｄ７双向８位 数据线 ，Ａ０．Ａ２片 内寄存器选择信号 ，Ａ８．Ａ１１片选信号 ， １ＮＴＡ．ＩＮＴＤ串行 口中断输出信号及ＷＲ、ＲＤ读写信号。
为 了减 少数据 接 口，提 高各控 制设 备航姿 数据 的一 致 性 ，本 文将 陀螺罗 经测量 的航 向值和 姿态传 感器测 量 的姿 态数 据融合 为一 路数据 ， 同时为小 型舰船 上各控 制 设备提供航姿信 息。
１ 系 统组 成
该测量 小型舰 船航 姿信 息 的系 统 ，包 括 陀螺罗经 、 姿态传感器和数据 处理 模块。
得 到成功应用。 【关键 词 】航 向 ；姿 态；测量
０ 引言
航 向和姿 态信 息 （包 括横滚 角度 、横滚 角速 率 、俯 仰角度和俯仰角速率 ）在舰船航行过程 中实时变化 ，其对 操船控 制和 武器装 备使用 的精确 性有 重要影 响 。因此 ， 需要对 舰船 的航 向和姿 态进 行实时 测量并 发送 到舰船 控 制系 统 ，以进行控 制修 正和参 数补偿 ，保 障舰船 的可 靠 航行和装备 的使用效 能。
空中平台航姿参考系统的设计
空中平台航姿参考系统的设计
张静;金志华
【期刊名称】《中国惯性技术学报》
【年(卷),期】2004(012)002
【摘要】利用观测矢量确定载体姿态的原理,依据空中平台的动态要求,确定了航姿参考系统的构成.通过建立姿态误差四元数微分方程,对卡尔曼滤波器在线估计组合航姿系统姿态误差进行了设计,并将建立的传感器测量误差模型加入到滤波模型中.仿真表明,这样组成的航姿参考系统,在传感器测量精度有限的情况下,能在摇摆基座上达到水平姿态精度0.2°,航向精度0.5°.
【总页数】6页(P47-52)
【作者】张静;金志华
【作者单位】上海交通大学仪器工程系,上海,200030;上海交通大学仪器工程系,上海,200030
【正文语种】中文
【中图分类】U666.1
【相关文献】
1.基于航姿参考系统和云台的视频监控跟踪系统设计 [J], 杨健;谢晓方;李德栋
2.基于MAEKF算法的航姿参考系统设计 [J], 王丁伟;祖家奎;黄海
3.基于DSP和STM32的航姿参考系统设计 [J], 白万涛;高国伟
4.低成本小口径动中通天线航姿参考系统设计 [J], 秦超
5.小型航姿参考系统设计 [J], 卢毅
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小型尾坐式飞行器航姿测量系统设计与验证
小型尾坐式飞行器航姿测量系统设计与验证胡永江;武斌;陈鹏;王长龙【期刊名称】《系统工程与电子技术》【年(卷),期】2017(039)004【摘要】针对小型尾坐式飞行器航姿测量问题,设计了航姿测量系统.采用四元数法更新航姿参数再转换成欧拉角输出.由于小型尾坐式飞行器姿态变化范围大,针对传统四元数到欧拉角的转换算法在扰动下航向和姿态角易发生振荡的问题,提出了一种改进的全姿态四元数转换到欧拉角的转换算法,通过分析姿态矩阵中元素的符号,由四元数得到两组欧拉角,以姿态控制利益为牵引,选择正确的一组.针对无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter, UKF)算法在外界噪声干扰下测量精度降低的问题,引入自适应算法,使量测噪声统计特性随噪声的变化而自适应的调整,提高系统的抗干扰能力.针对小型尾坐式飞行器姿态易突变的问题,设计了强跟踪滤波器,利用多个渐消因子减小历史数据在测姿中的作用,提高当前信息的比重,提高系统对突变姿态的跟踪精度.最后,通过实验验证了全姿态解算算法、自适应UKF滤波算法和强跟踪算法的可行性,实验结果表明了设计的航姿测量系统对小型尾坐式飞行器的适用性.%For the problem of measuring heading and attitude of small tail-sitter aircraft, a measurement system is designed.The quaternion method is used to update heading and attitude, then the quaternion is transformed into Euler angle for output.Due to large change range of attitude, for the surge problem of attitude under disturbance from quaternion to Euler angles, an improved all-attitude conversation algorithm is proposed.By analyzing the symbol of elements in attitude matrix, two groups of Euler angles areobtained from the quaternion.The right group is chosen in the interests of attitude control.For the precision decreasing of unscented Kalman filter (UKF) in the interference of outside noise, the adaptive algorithm is introduced to make the statistical feature of measurement noise adjust adaptively along with the change of noise.The anti-interference ability of the system is improved.For the problem of attitude mutation of small tail-sitter aircraft, a strong tracking filter is designed.The role of historical information is reduced and the share of current information is increased by multiple fading factors.The precision of tracking rapidly changing state is improved.Finally, experiments verify the feasibility of the all-attitude solution algorithm, adaptive UKF and strong tracking filter.The result shows the applicability of the designed heading and attitude measurement system in small tail-sitter aircraft.【总页数】10页(P866-875)【作者】胡永江;武斌;陈鹏;王长龙【作者单位】军械工程学院无人机工程系, 河北石家庄 050003;军械工程学院无人机工程系, 河北石家庄 050003;军械工程学院无人机工程系, 河北石家庄 050003;军械工程学院无人机工程系, 河北石家庄 050003【正文语种】中文【中图分类】V249.3【相关文献】1.低成本微小型无人机航姿测量系统设计 [J], 肖文健;路平2.小型尾坐式飞行器航姿参考系统 [J], 武斌;陈鹏;胡永江;王长龙3.小型尾坐式飞行器大机动飞行姿态算法研究 [J], 武斌;陈鹏;胡永江;王长龙4.小型尾坐式飞行器自适应SRUKF姿态算法 [J], 武斌;陈鹏;胡永江;王长龙5.微小型航姿测量系统设计及误差补偿 [J], 徐烨烽;仇海涛;何孟珂因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
小型无人机飞行姿态测量系统的设计
小型无人机飞行姿态测量系统的设计赵海生;胥效文【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2012(20)3【摘要】Attitude is one of the important parameters in UAV flight. To solve the problem that current attitude measurement systems are of large scale, high power consumption, short life and not suitable for small or micro UAV. A DSP-based flight attitude measurement system for unmanned micro air vehicle was presented. Acquisitions of MIMU real-time data and attitude updating with four orders Runge- Kutta approach were implemented on the DSP. Detailed module design concept andμC/OS- II software design process were described also. Compared with NAV440CA-200 IMU. The relative error of roll angle is 0. 5°and that of pitch is 0. 4*. Experimental status shows that the presented system holds high measurement accuracy, consumes little volume, and demands little cost, it satisfies the design requirements.%飞行姿态是无人机飞行时最重要的参数之一,针对现有多数姿态测量系统体积大、功耗高、续航时间短,并不适合应用于小型或微型无人机上等问题,提出了一种基于DSP的小型化无人机飞行姿态测量的设计方案;完成了微固态陀螺实时数据采集,并通过四阶Runge- Kutta方法对其姿态角进行了求解;给出了姿态测量系统各模块的设计思想及基于μC/OS-Ⅱ的软件设计流程;与NAV440CA- 200型IMU对比结果显示,在35秒的测试时间内滚转角相对误差为0.5°,俯仰角相对误差为0.4°;试验结果表明,该姿态测量系统具有较高的测量精度、体积小、功耗低等特点,满足设计需要.【总页数】3页(P583-585)【作者】赵海生;胥效文【作者单位】西北工业大学自动化学院,陕西西安710129;西北工业大学自动化学院,陕西西安710129【正文语种】中文【中图分类】V241【相关文献】1.低成本微小型无人机航姿测量系统设计 [J], 肖文健;路平2.一种小型无人机大气数据测量系统设计 [J], 张鹏;徐晓旭3.小型无人机航姿测量系统的设计与实现 [J], 王树丛;桂勋;陈小平4.基于H2最优控制的小型无人机飞行姿态控制器设计 [J], 冀晓萌;董朝轶;李健;闫放5.一种小型固定翼无人机姿态测量系统的设计 [J], 张鹏;王键;段照斌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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摘 要： 针对航姿测量的需求，提出了一种基于四元数扩展卡尔曼滤波的航姿参考系统（ AHＲS） 设计方
案。系统采用低成本微机电系统（ MEMS） 三轴陀螺仪、加速度计和磁力计，利用基于四元数的扩展卡尔曼
滤波方法对传感器数据进行融合，得出三轴姿态角。为了仅根据磁偏力计数据进行正交化处理的方法。为了减小加速度计和磁力计测量误差，
1 四元数姿态测量原理 1． 1 四元数姿态微分方程
由机 体 坐 标 系 Sη （ 东 北 天 坐 标 系 （ east，north，up，
0引言 航姿参 考 系 统 （ attitude and heading reference system，
AHＲS） 能够提供滚转角、俯仰角和偏航角信息，随着电子 产品智能化程度的提高，姿态测量越来越多应用到手机、消 费级飞行 器、智 能 家 电 等 领 域，基 于 微 机 电 系 统 （ microelectro-mechanical system，MEMS） 器件的低成本航姿参考系 统越来越受到重视［1］。
出三轴姿态角。 磁力计量测方程的表达形式有多种，可利用偏航角与
四元数的转换关系［3］，可利用地磁场矢量的四元数转换关 系［4，5］ ，前 者 需 要 进 行 三 角 函 数 及 求 导 运 算 ，运 算 量 大，后 者需要知道地磁场矢量的详细信息，往往难以获取。本文 提出一种利用加速度计对磁力计数据进行正交化处理的方 法，优化了磁力计数据处理过程。
由于 MEMS 器件性能的限制，低成本航姿参考系统通 常采用陀螺仪、加速度计和磁力计组合的方式，利用卡尔曼 滤波方法对传感器信息进行融合，得到相对更优的航姿测 量结果。四元 数 具 有 不 奇 异、运 算 量 小 等 特 点［2］，常 用 于 捷联惯性导航的解算。本文利用基于四元数的扩展卡尔曼 滤波方法，对陀螺仪、加速度计和磁力计数据进行融合，得
MEMS 器件由于器件质量和外界干扰等因素影响，往 往会产生较大的零点偏移和标度因数等误差，直接进行运 算误差较大，且难以满足卡尔曼滤波噪声为高斯白噪声的 要求。本文利用基于最小二乘法的椭球拟合方法，对加速 度计和磁力计误差进行了校正。
收稿日期： 2018—01—26
118
传感器与微系统
第 38 卷
2019 年 第 38 卷 第 4 期
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
117
DOI： 10． 13873 / J． 1000—9787（ 2019） 04—0117—04
小型航姿参考系统设计
卢毅
（ 北京航空航天大学 宇航学院，北京 100191）
Design of small attitude and heading reference system
LU Yi
（ School of Astronautics，Beihang University，Beijing 100191，China）
Abstract： Aiming at the need of attitude and heading measurement，a design scheme of attitude and heading reference system （ AHＲS） based on quaternion extended Kalman filtering （ EKF） is proposed． This AHＲS is consist of low-cost micro-electro-mechanical system （ MEMS） 3-axis gyro，accelerometer and magnetometer，and it uses extended Kalman filtering based on quaternion to fuse sensor data so as to get 3-axis attitude angles． In order to determine magnetometer measurement equation only from magnetic declination and avoid the influence of magnetic inclination，a method using accelerometer to orthogonalize magnetometer data is proposed． In order to reduce measurement error of accelerometer and magnetometer，an ellipsoid fitting method based on least square method is used for correcting of measurement data is adopted． Physical tests show that calibration effect of sensor is good，and this AHＲS has relatively high measurement precision and good dynamic characteristics． Keywords： attitude and heading reference system （ AHＲS） ； quaternion； extended Kalman filtering （ EKF ） ； ellipsoid fitting
利用基于最小二乘法的椭球拟合校正方法对测量数据进行校正。实物试验表明： 传感器校正效果较好，系
统具有相对较高的测量精度和较好的动态特性。
关键词： 航姿参考系统； 四元数； 扩展卡尔曼滤波； 椭球拟合
中图分类号： TP 212； V 249． 3
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2019） 04—0117—04