王朋辉

（中国特种飞行器研究所，湖北荆门 448035）

 

【摘要】航姿系统作为无人飞艇自主飞行的重要传感器，其精度、稳定性关系到飞艇的飞行品质。本文围绕小型无人飞艇的航姿系统进行研究，对基于MEMS IMU的航姿系统的工作原理、解算算法、滤波算法、硬件实现、软件实现进行了研究，最后给出了AHRS的物理样机实现。该样机对小型无人飞艇的航姿系统研究具有一定的参考意义。

【关键词】无人飞艇；微机电系统；航姿系统

 

 

1  引言

随着微机电系统技术的发展，微型惯性测量组合(MIMU)在低成本航姿系统中得到广泛应用。本文提出的航姿系统是一套由MIMU和地磁传感器组成的三自由度姿态测量单元，具有体积小、重量轻、高可靠和耐冲击等突出特性，可实现动态环境下载体实时姿态航向控制。

小型无人飞艇由于成本低、体积小、载重小，一般采用基于微机电系统（MEMS）的航姿系统（AHRS）。

2  航姿系统的工作原理

航姿系统由三轴微机械陀螺、三轴微机械加速度计和三轴地磁传感器组成，每组传感器沿载体三轴正交配置。选用重力向量和地磁向量作为参考向量，为陀螺提供角度修正和零偏估计，实现动态环境下载体姿态航向控制。其主要思想为：利用陀螺测得的角速度来更新前一步的姿态角；利用加速度计和地磁传感器对重力向量和地磁向量的观测来修正陀螺给出的姿态角信息。

3  航姿系统的姿态求解算法

载体姿态角实际上就是载体坐标系OXbYbZb和导航坐标系OXnYnZn之间的方位关系，对本文来说导航坐标系即为地理坐标系，载体坐标系（简称b系）相对于地理坐标系（简称t系）的角位置可以用一组欧拉角 、 、 来表示，即航向角、横滚角、俯仰角。

矩阵 称为姿态矩阵。即导航坐标系与载体坐标系之间的方向余弦矩阵。在得到随时间变化的方向余弦矩阵后，就可以得到3个姿态角[1]。

在时间t内，当t为极小值时，姿态角的变化量 、 、 趋近于0，转动的次序变得不重要， 随时间的传递公式如下：

 

在dt趋近于0时，由上式可得旋转矩阵的导数，

式中的 ， 和 分别为陀螺仪测得的载体坐标系下机体x，y，z轴的角速度，以较短时间间隔读取陀螺仪的数据，通过上式即可实现方向余弦矩阵随时间的传递。然而，MEMS陀螺仪会发生大的漂移，如果不加以补偿，在短时间内就会积累很大的姿态误差，导致姿态发散无法使用。因此，必须采用一定的措施对误差进行补偿以实现较精确的姿态解算。

4  航姿系统的姿态修正算法

航姿系统的姿态修正算法一般有互补滤波、卡尔曼滤波及卡尔曼滤波的衍生算法。

互补滤波算法的基本原理是：对于一种信号有两种来源的量测估计，其中一种量测估计在低频比较准确，另一种量测估计在高频段比较准确。通过选择合理的时间常数就可以得到整个频段的估计值[2]。

互补滤波器模型如图1所示。

 

图1 互补滤波器模型

5  航姿系统的实现

航姿系统的主控制芯片选用了意法半导体(ST)的STM32F103T8，三轴数字陀螺仪选用L3G4200D，加速度计选用ADXL345，磁传感器选用HMC5883L。集成后航姿系统电路板见图2所示。

 

图2 集成后的航姿系统电路板

航姿系统软件方向余弦矩阵更新周期设定为20ms，每20ms进行一次姿态解算，每100ms输出姿态和传感器原始数据信息。在上位机开发了航姿系统的三维显示界面，见图3所示。

 

图3 上位机显示姿态数据

6  结论

航姿系统使用小体积、低成本的MEMS陀螺仪和MEMS加速度计，辅助以磁强计来测量载体的姿态，从而实现了MEMS航姿系统的体积小、造价低、易于批量生产等特点。

参考文献：

[1]盛庆轩. MIMU/磁强计航姿参考系统研究[硕士论文]. 长沙: 国防科学技术大学, 2009.

[2]夏琳琳. 低成本AHRS/GPS紧耦合融合滤波技术研究[硕士论文]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2008.