一、項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景及概述

　　在許多工程應(yīng)用中，都需要測(cè)量載體與水平面的傾斜角度。對(duì)于導(dǎo)航定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，姿態(tài)信息更是一個(gè)重要參數(shù)。本系統(tǒng)主要目標(biāo)是在動(dòng)態(tài)情況下通過(guò)姿態(tài)融合得到精確的俯仰角和橫滾角。首先采用加速度傳感器測(cè)量?jī)A斜角度，并對(duì)測(cè)量角進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理以減少誤差，其次加入陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)融合，主要方法為卡爾曼濾波，得到系統(tǒng)的橫滾角和俯仰角。該方法廣泛應(yīng)用于工程中，技術(shù)成熟，姿態(tài)融合效果良好。

　　慣性測(cè)量單元在飛行器制造、傳感器技術(shù)領(lǐng)域都能見(jiàn)其身影，應(yīng)用前景十分廣泛。一般的，一個(gè)IMU包含了三個(gè)單軸的加速度計(jì)和三個(gè)單軸的陀螺，加速度計(jì)檢測(cè)物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號(hào)，而陀螺檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)，測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。在導(dǎo)航中用著很重要的應(yīng)用價(jià)值。

　　為了提高可靠性，還可以為每個(gè)軸配備更多的傳感器。一般而言IMU要安裝在被測(cè)物體的重心上。IMU大多用在需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備，如汽車(chē)和機(jī)器人上。也被用在需要用姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場(chǎng)合，如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備等。利用三軸加速度計(jì)，受外力加速度影響很大，在運(yùn)動(dòng)/振動(dòng)等環(huán)境中，輸出方向角誤差較大。加速度測(cè)量的是重力方向，在無(wú)外力加速度的情況下，能準(zhǔn)確輸出ROLL/PITCH兩軸姿態(tài)角度，并且此角度不會(huì)有累積誤差，在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度內(nèi)都是準(zhǔn)確的。但是加速度傳感器測(cè)角度的缺點(diǎn)是加速度傳感器實(shí)際上是用MEMS技術(shù)檢測(cè)慣性力造成的微小形變，而慣性力與重力本質(zhì)是一樣的，所以加速度計(jì)就不會(huì)區(qū)分重力加速度與外力加速度，當(dāng)系統(tǒng)在三維空間做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的輸出就不正確了。

　　二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理

　　1、 原理概述

　　陀螺儀輸出角速度，是瞬時(shí)量，角速度在姿態(tài)平衡上是不能直接使用，需要角速度與時(shí)間積分計(jì)算角度，得到的角度變化量與初始角度相加，就得到目標(biāo)角度，其中積分時(shí)間Dt越小，輸出角度越精確，但陀螺儀的原理決定了它的測(cè)量基準(zhǔn)是自身，并沒(méi)有系統(tǒng)外的絕對(duì)參照物，加上Dt是不可能無(wú)限小，所以積分的累積誤差會(huì)隨著時(shí)間流逝迅速增加，最終導(dǎo)致輸出角度與實(shí)際不符，所以陀螺儀只能工作在相對(duì)較短的時(shí)間尺度內(nèi)。

　　所以在沒(méi)有其它參照物的基礎(chǔ)上，要得到較為真實(shí)的姿態(tài)角，就要利用加權(quán)算法揚(yáng)長(zhǎng)避短，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，擯棄其各自缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)算法在短時(shí)間尺度內(nèi)增加陀螺儀的權(quán)值，在更長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)增加加速度權(quán)值，這樣系統(tǒng)輸出角度就接近真實(shí)值了。