[发明专利]一种双轴旋转的姿态测量系统及其测量方法

权利要求书

1.一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。

2.一种采用如权利要求1所述系统的姿态测量方法，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ΔφΔθg:]]>

ΔφΔθg=sinφtanθ1-cosφtanθcosφ0-cosφsecθωxωyωzΔt---(1)]]>

式中ωxωyωz]]>是陀螺仪测量得到的角速率，φ为横滚角，θ为俯仰角，ΔφΔθg]]>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，并获得时间间隔Δt内倾角变化ΔφΔθa:]]>

φθ=atan2(-Amx,-Amz)arcsin(Amy||Am||)---(2)]]>

式中是A_mx、A_my、A_mz分别为三轴加速度计测量的加速度，A_m=[A_mx A_my A_mz]，ΔφΔθa]]>为通过加速度计算的倾角变化值；

d)计算b）获得的倾角变化ΔφΔθg]]>和c）获得的倾角变化ΔφΔθa]]>的差值r：

r=ΔφΔθg-ΔφΔθa---(3)]]>

e)确定横滚角为φ、俯仰角为θ时倾角变化的差值r和陀螺漂移b的数学关系式：

r=Vb   (4)

式中，V=sinφtanθ1-cosφtanθsinφsecθ0cosφsecθ;]]>

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1)～5)，确定横滚角为φ′、俯仰角为θ′时倾角变化的差值r’和陀螺漂移b的数学关系式：

r′=V′b   (5)

式中，V′=sinφ′tanθ′1-cosφ′tanθ′sinφ′secθ′0cosφ′secθ′;]]>

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。