[发明专利]一种基于MEMS技术的捷联式垂直陀螺仪解算方法

说明书

本发明公开了一种基于MEMS技术的捷联式垂直陀螺仪解算方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，互补对称加速度传感器的布局与各角度解算，步骤2，进行捷联解算，在步骤1中解算出的俯仰角和横滚角基础上，把三轴陀螺仪测得载体的角速度信息按俯仰轴和横滚轴二次旋转，变换到水平地理坐标系，按捷联算法求出俯仰角和横滚角，步骤3，利用Kalman滤波器进行信息融合，解决了现有机械式垂直陀螺仪在载体加速过程中的测量不准确问题和捷联式惯导系统的高成本问题。

技术领域

本发明属于电子信息和导航技术领域，涉及一种基于MEMS技术的捷联式垂直陀螺仪解算方法。

背景技术

垂直陀螺仪(Vertical Gyroscope,VG)是无人机、稳定云台和“动中通”天线等重要的姿态传感器，其在载体运动过程中实时获取载体的姿态信息,即俯仰角和横滚角。

机械式垂直陀螺仪：机械式垂直陀螺仪是一个框架式双自由度陀螺和液体摆构成的闭环控制系统，使陀螺的自转轴稳定在当地地垂线方向上，它的原理就是利用陀螺的定轴性和进动性可测量载体的俯仰角和横滚角。机械螺仪由于其结构复杂、制造困难、漂移误差大和使用环境要求高等，现在已经很少应用。

捷联式惯导系统：捷联式惯导系统不采用实体平台，把三轴加速度计与三轴陀螺仪直接固连在载体上，利用计算机实时计算姿态矩阵，通过姿态矩阵把加速度计测得的机体的加速度信息，变化到导航坐标系，然后进行导航解算，同时从姿态矩阵的元素中提取航向角和姿态角信息。缺点一是捷联式惯导系统依靠高精度的陀螺和加速度计，才能在初始对准过程中，通过敏感当地的地球自传角速度，才能给出航向角信息；二是由于陀螺仪和加速度计长时间会产生漂移，需要外部信息修正，比如GPS和北斗信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的捷联式垂直陀螺仪解算方法，解决了现有机械式垂直陀螺仪在载体加速过程中的测量不准确问题和捷联式惯导系统的高成本问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于MEMS技术的捷联式垂直陀螺仪解算方法，基于如下定义的坐标系：垂直陀螺仪的导航坐标系取为地理坐标系，建立载体所在位置的地理坐标系为北-东-地，即N-E-D，固连在载体上的载体坐标系为X-Y-Z，X处于载体对称平面内，由质心指向载体运动前向；Y垂直于载体对称平面并指向右方；Z在载体对称平面内且垂直于X轴指向下方，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，互补对称加速度传感器的布局与各角度解算，

步骤2，进行捷联解算，在步骤1中解算出的俯仰角和横滚角基础上，把三轴陀螺仪测得载体的角速度信息按俯仰轴和横滚轴二次旋转，变换到水平地理坐标系，按捷联算法求出俯仰角和横滚角，

步骤3，利用Kalman滤波器进行信息融合。

本发明的特点还在于，

所述的步骤1具体为，

步骤1.1，互补对称加速度传感器的布局，将在载体的X-Z和Y-Z平面沿X轴和Y轴方向，且与X轴和Y轴的夹角分别为α角度分别布置2对加速度传感器，在X-Y-Z轴三个方向上，各布置一个陀螺仪；

步骤1.2，俯仰角度的解算，

设载体X轴方向有加速度x_a和俯仰角度x_t时，从两个加速度传感器上采集到的加速度的输出值ax1和ax2分别为：

经过推导，可以求得：

其中中间变量：

步骤1.3，横滚角的解算，