[发明专利]一种双轴旋转的姿态测量系统及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用惯性测量单元进行姿态测量的系统及方法，特别涉及一种双轴旋转的姿态测量系统及其测量方法，属于惯性导航技术领域。

背景技术

基于惯性测量单元的惯性导航系统是一种不依赖于外部信息的自主导航系统，其主要问题是长时间的姿态测量会因陀螺仪的漂移而积累发散。已有姿态估计方法，需要通过磁场计或GPS等外部辅助传感器来对姿态误差进行修正和补偿。这些方法的不足之处在于：当作业环境中磁强计和GPS信号因强磁干扰、室内等因素而不可靠时，这些附加传感器以及相关的误差修正方法的应用受到限制。

研究发现通过旋转改变惯性测量单元（Inertial Measurement Unit,简称IMU）的倾角（包括姿态角中的横滚角和俯仰角）的方法，能够实现不依赖于外界传感器而估计陀螺仪漂移并减小定位误差。但利用单轴旋转改变惯性测量单元倾角的方法存在问题：当旋转轴方向和重力方向重合的特殊情况时，旋转因无法改变惯性测量单元的倾角而会失效。此外，基于欧拉角表达的姿态角计算方法中存在的姿态角奇异问题也需要解决。

已有的单轴或多轴旋转惯性器件的装置及方法，如专利“一种双轴旋转光纤捷联惯性导航装置”（CN102980578），通过控制惯性器件随旋转机构往复转动将误差调制成周期变化的形式，在导航解算过程中利用积分运算将误差抵消来减小系统误差的积累，提高惯导系统的长航时导航精度。这类装置及方法的不足之处在于：不具有漂移估计的功能，当惯性导航系统自身姿态变化使得旋转运动无法将漂移互相抵消时，装置及方法应用受到限制，同时也不具有克服姿态角奇异问题的功能。专利“Inertial measurement system with self correction”（US8010308）提出了通过绕水平轴的旋转，利用加速度计估计陀螺处于铅垂方向时的漂移以修正航向角的方法。该方法需要确保旋转轴绕水平方向以保证修正精度，不适用于IMU姿态角处于任意值的情形。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种双轴旋转的姿态测量系统及其测量方法，提高室内、磁干扰等环境下长时间的姿态估计精度，同时克服欧拉角计算过程中的姿态角奇异问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明所述的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、第一旋转平台、第二旋转平台、驱动电路、控制器和计算单元；所述的第一旋转平台包括第一基座、旋转架和第一旋转电磁设备；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和第二旋转电磁设备；所述的第一基座套固在第二旋转电磁设备的旋转轴上，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的旋转运动；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的旋转运动；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。

本发明所述的控制器和计算单元采用带有相关接口电路的计算机或微控制器。

本发明所述的姿态测量方法，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；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：