[发明专利]浮球平台载体姿态测量方法

权利要求书

1.一种浮球平台载体姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：预设载体初始时刻的姿态获取光电传感器数据，通过光电传感器测量得到载体转动的线速度，采用最小二乘估计方法解算得到当前时刻的载体转轴方向；

步骤S200：根据各光电传感器的安装位置计算出各光电传感器测量所得弧长对应的当前时刻的载体转动角度，将各光电传感器测得的载体转动角度的均值作为载体的转动角度，并构造载体当前时刻的转动四元数；

步骤S300：解算初始时刻到当前时刻的载体转动四元数，并根据该载体转动四元数解算得到载体在当前时刻的姿态。

2.根据权利要求1所述的浮球平台载体姿态测量方法，其特征在于，所述步骤S100中采用最小二乘估计方法解算得到当前时刻的载体转轴方向包括以下步骤：

根据测量周期Δt得到n-1到n时刻载体转动的线速度在光电坐标系中的表达式：

其中，为光电传感器测量数据，下标i＝1,2,...,m表示m个光电传感器，上标n表示当前时刻；

根据光电坐标系到球体坐标系的转换矩阵M_PEi2C将载体转动线速度转换到球体坐标系中：

载体线速度和角速度满足关系：

其中，R_c0i为球体坐标系中球心C到光电坐标系原点P_i的矢量，得到：

假设光电传感器测量得到的线速度为观测值，令其中，m为光电传感器的数量，考虑测量噪声构建载体转动观测方程：

其中，C_cω为角速度观测矩阵；

采用最小二乘估计方法得到载体n-1到n时刻的角速度：

将角速度单位化后得到n-1到n时刻载体转动的转轴方向：

3.根据权利要求1所述的浮球平台载体姿态测量方法，其特征在于，所述步骤S200中解算当前时刻的载体转动角度包括以下步骤：

计算n-1到n时刻光电传感器测量球体转动得到的弧长：

其中，为光电传感器测量数据，下标i＝1,2,...,m表示m个光电传感器，上标n表示当前时刻；

所得弧长对应的半径由下式计算：

其中，R_c0i为球体坐标系中球心C到光电坐标系原点P_i的矢量；为n-1到n时刻载体转动的转轴方向；

得到第i个光电传感器测量得到的载体转动角度：

将m个光电传感器解算出的转动角度进行平均作为n-1到n时刻的载体转动角度：

4.根据权利要求3所述的浮球平台载体姿态测量方法，其特征在于，所述步骤S200中构造载体当前时刻的转动四元数包括以下步骤：根据n-1到n时载体的转轴方向和转动角度得到n-1到n时载体转动四元数在球体坐标系中的表达式：

5.根据权利要求1所述的浮球平台载体姿态测量方法，其特征在于，所述步骤S300中解算初始时刻到当前时刻的载体转动四元数包括步骤：根据四元数乘法可得到从0时刻到n时刻载体转动的四元数：

其中，在n-1时刻得到，表示n-1时刻到n时刻球壳的转动四元数，将中的载体转动轴进行变换：

在当前的球壳坐标系中，表示为：

其中，φⁿ为n-1到n时刻的载体转动角度；

将(14)式代入(12)式得到初始时刻到当前时刻的载体转动四元数

6.根据权利要求1所述的浮球平台载体姿态测量方法，其特征在于，所述光电传感器数据包括根据光电传感器的安装位置计算得到的以下结构参数：

R_c0i：球体坐标系中球心C到光电坐标系原点P_i的矢量，i＝1,2,...,m；

M_PEi2C：光电坐标系到球体坐标系的转换矩阵，i＝1,2,...,m；

Δt：测量周期；

角速度观测矩阵，用于后续的最小二乘估计载体转动角速度。

7.根据权利要求1所述的浮球平台载体姿态测量方法，其特征在于，所述光电传感器数量为8个。