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        用于水下ROV控制的姿態(tài)融合技術研究

        2018-05-09 08:32:09裴國棟溫亞楠朱莉莉
        船電技術 2018年4期
        關鍵詞:歐拉角陀螺儀加速度計

        裴國棟,溫亞楠,朱莉莉

        (青島市光電工程技術研究院,山東青島 266019)

        0 引言

        利用微機械結構來測量載體相對于空間運動數(shù)據(jù)的傳感器成為慣性傳感器[1],通過空間距離的變化將運動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬電子數(shù)據(jù),然后通過相關算法計算后最終得到導航數(shù)據(jù)。慣性導航近年來被廣泛應用于航海、航空、各種平臺的穩(wěn)定與控制以及無人機的的姿態(tài)以及導航控制、軍工產(chǎn)業(yè)等各個領域。由于該技術應用廣泛,所以對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著突出的貢獻。

        慣性導航主要是通過慣性傳感器來實現(xiàn)的,現(xiàn)如今慣性傳感器主要包括加速度計與陀螺儀,加速度計可以測量沿某個軸向的加速度值,陀螺儀可以測量沿某個軸向的角速度值,因為這兩種傳感器的工作原理的不同,所以它們數(shù)據(jù)的應用方式也不同[2]。由于陀螺儀數(shù)據(jù)得到姿態(tài)角需要做積分運算,所以陀螺儀數(shù)據(jù)中的誤差會隨時間的增加而逐漸增大;加速度計由于內(nèi)部微機械結構的限制較適合靜態(tài)的姿態(tài)檢測,動態(tài)時數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。因此需要一種合適的算法將兩種數(shù)據(jù)融合在一起,使融合后的數(shù)據(jù)更接近真實姿態(tài)數(shù)據(jù)[3]。

        1 系統(tǒng)硬件設計

        根據(jù)系統(tǒng)需求以及各方面綜合考量本系統(tǒng)選用 ST的增強型處理器 STM32f103C8T6芯片作為主處理器芯片,負責從慣性傳感器采集、處理、合成數(shù)據(jù),芯片內(nèi)置 64KB 的閃存存儲器,最高時鐘頻率可72 MHz。慣性傳感器選擇MPU6050,該傳感器是 InvenSense 公司生產(chǎn)的全球首列整合性六軸運動處理組件,整合了三軸陀螺儀、三軸加速度計,內(nèi)置的數(shù)字運動處理(DMP: Digital Motion Processor)。使用非常方便[4]。其使用原理圖如圖1所示。

        圖1 MPU6050原理圖

        2 數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算

        2.1 四元數(shù)與歐拉角

        四元數(shù)的組成是實數(shù)加上三個復數(shù)元素i、j、k,各個復數(shù)之間的關系如下:

        每個四元數(shù)都是1、i、j、k的線性組合,所以四元數(shù)可表示如下:

        歐拉角由章動角θ、進動角ψ和自轉(zhuǎn)角φ組成,是用來表示定點轉(zhuǎn)動的物體位置的三個參數(shù)。歐拉角最先由L.歐拉首先提出,一個繞點轉(zhuǎn)動的物體歐拉角有多種取法,以下是其中常用的一種表示法[5]。

        圖2

        圖2所示,為歐拉角按照z-y-x旋轉(zhuǎn)次序的一種表示法,ψ、θ、φ分別為物體繞 z軸、y軸以及x軸的角度,若用Tait-bryan angle來表示為:Yaw(偏航角),Roll(橫滾角),Pitch(俯仰角)。

        2.2 數(shù)據(jù)的采集處理

        采集的數(shù)據(jù)在進行 Kalman濾波時,需要采用陀螺儀以及加速度計的輸出數(shù)據(jù)來構造合適的狀態(tài)方程以及測量方程。Kalman是一種遞歸的估計濾波算法,只需要記錄上一時刻狀態(tài)的估計值以及解算出當前狀態(tài)的觀測值就可以解算出當前狀態(tài)的估計值。公式(3)是卡爾曼濾波器的一個核心公式,計算得到的K(n)是估計誤差占總誤差的權重,H(n)為觀測矢量[6]。

        2.3 姿態(tài)融合算法

        第一步、首先對加速度計數(shù)值進行歸一化:(注:Aac_x、Aac_y、Aac_z分別為 X、y、z軸加速度計數(shù)值;)

        第二步、根據(jù)四元數(shù)計算法計算出重力在當前三個軸上的加速度分量:

        第三步、根據(jù)向量積計算測得的重力與計算的重力間的誤差:

        第四步、對誤差進行積分計算:

        第五步、將積累的誤差經(jīng)過PI算法后補償?shù)酵勇輧x,即補償零點漂移,由于z軸沒有觀測者進行矯正會產(chǎn)生持續(xù)漂移[7][8]:

        第六步、采用一介畢卡解法解算四元數(shù),并保存歷史值待用(q0temp為q0歷史值,其他類似):

        第七部、單位化四元數(shù),使其在空間旋轉(zhuǎn)時不會被拉伸變換:

        第八步、四元數(shù)轉(zhuǎn)換到歐拉角完成數(shù)據(jù)融合:

        3 結論

        融合后的角度曲線上傳至上位機顯示如圖 3,其中包含9個數(shù)據(jù),分別是三軸角速度值,三軸角加速度值以及融合后的三軸角度,其中曲線1為X軸角度曲線,曲線2為X軸陀螺儀曲線,由于加速度計數(shù)據(jù)太小圖中無法展示出來,在周期性搖晃X軸的過程中,角度曲線緊跟靈敏度最高的角速度曲線,合成后的角度曲線無過沖現(xiàn)象,能緊跟平臺的角度變化。根據(jù)角度曲線所示水下姿態(tài)檢測系統(tǒng)已基本實現(xiàn)。

        圖3 數(shù)據(jù)融合角度曲線

        本課題所研制的水下 ROV姿態(tài)檢測系統(tǒng),系統(tǒng)簡單實用,可以達到水下 ROV姿態(tài)控制對相關數(shù)據(jù)的要求。

        參考文獻:

        [1]陳哲. 捷聯(lián)慣導系統(tǒng)原理[M]. 北京: 宇航出版社,1996: 20-43.

        [2]陳永冰, 鐘斌. 慣性導航原理[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1990: 14-21.

        [3]于波, 陳云相, 郭秀中. 慣性技術[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 1994: 33-52

        [4]楊艷娟. 捷聯(lián)慣導系統(tǒng)關鍵技術研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學, 2001: 19-54.

        [5]盧大偉. 多傳感器數(shù)據(jù)融合方法在新型組合導航系統(tǒng)中的應用[D]. 南京: 東南大學, 2001.

        [6]曾慶華, 張為華. IMEMS 速率陀螺芯片在MAV飛行控制系統(tǒng)中應用研究[J]. 測控技術, 2004, 23(2).

        [7]張靜, 金志華. 空中平臺航姿參考系統(tǒng)的設計[J].中國慣性技術學報, 2004, 12(2): 47-52.

        [8]秦永元, 張洪鉞, 汪叔華. 卡爾曼濾波與組合導航原理[M]. 西安: 西北工業(yè)大學出版社, 1999, 7(3):17-21.

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