基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计补偿方法及装置制造方法
【专利摘要】基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计补偿方法及装置，属于惯性导航【技术领域】。该装置由惯性测量单元、旋转平台、控制单元和计算单元构成；惯性测量单元通过集成的陀螺仪和加速度计分别测量角速率和加速度；计算单元通过角速率和加速度分别计算惯性测量单元的倾角数值；旋转平台控制惯性测量单元旋转以改变姿态；通过旋转前后不同姿态下的倾角数值和陀螺漂移的数学关系实现陀螺漂移的估计，并补偿漂移以提高姿态定位精度。本发明的特点在于：无需磁场计或GPS等外部传感器的辅助，仅通过控制惯性测量单元旋转即可估计陀螺仪的漂移，减少长时间内姿态角尤其是航向角的积累误差。
【专利说明】基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计补偿方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于惯性导航【技术领域】，特别涉及一种基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计补偿方法及装置，适合于移动机器人在室内、强磁干扰等作业环境下利用惯性测量单元进行姿态定位。
【背景技术】
[0002]惯性导航法是一种常见的姿态测量方法。通过对三轴陀螺仪所测量的运动角速度进行积分，能够计算得到姿态信息。但是由于陀螺仪存在漂移问题，长时间累积计算会产生较大误差，需要利用其他传感器获得的信息对陀螺仪的漂移进行估计和误差补偿。
[0003]已有陀螺仪漂移估计补偿方法，如专利“用于对位置测量装置中的漂移进行补偿方法”(CN103109159A)采用低通过滤加速度计信号来补偿陀螺仪漂移造成的误差，但对于漂移造成的平行于铅垂线方向上的误差，需要通过磁罗盘来进行补偿。该方法的不足之处在于:不适合在周围有强磁场干扰的环境下应用。如专利“车辆用陀螺仪的角速度误差修正装置、修正方法”(CN103206965A)，采用GPS接收器检测的车辆速度和防伪对陀螺仪传感器输出的角速度误差进行修正，该方法的不足之处在于:不适合在封闭空间下GPS信号微弱的环境下应用，例如室内、煤矿等场合。
[0004]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)，这类装置及方法的不足之处在于:不具有漂移估计的功能，当旋转运动无法将陀螺仪的漂移互相抵消时，装置及方法应用受到限制。
[0005]专利“Inertialmeasurement system with self correction”(US8010308)提出了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，不适用于姿态测量系统的姿态角处于任意值的情形。
[0006]综上所述，目前对陀螺仪漂移进行估计的方法，都需要在磁场计或GPS等外部传感器的辅助下实现。而当作业环境中磁强计和GPS信号不可靠时，这些附加传感器以及相关的陀螺仪漂移估计方法应用受到限制。例如一种面向大型水轮机叶片表面检测的爬壁移动机器人，由于机器人的坑内作业环境为封闭空间并有强磁场干扰，现有的姿态定位方法无法应用。因此，迫切需要不依靠GPS、磁强计等外界辅助方式，仅利用惯性测量元件自身集成的陀螺仪和加速度计来估计陀螺仪的漂移以减小姿态定位误差的方法。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种利用惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,简称IMU)旋转实现对陀螺漂移估计并补偿的方法及装置，克服常见的惯性导航方法需要磁场计或GPS等外部传感器辅助的问题。
[0008]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0009]本发明所述的基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤:[0010]1)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；
[0011]2)通过陀螺仪测量的角速率计算时间间隔At内惯性测量单元的倾角的变化数值:
【权利要求】
1.一种基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 1)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At内惯性测量单元的倾角的变化数值
2.如权利要求1所述的一种基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计补偿方法，其特征在于:所述的欧拉角采用如下定义: 导航坐标系定义为onxnynzn ;惯性测量单元坐标系定义为obxbybzb ;导航坐标系onxnynzn绕zn车由转(-Ψ)角得ox3y3z3,ox3y3z3绕X3车由转Θ角得ox2y2z2, ox2y2z2再绕y2车由转Φ角，则得惯性测量单元坐标系obxbybzb ;从导航坐标系到惯性测量单元坐标系的转换矩阵R就是惯性测量单元的姿态矩阵:
3.如权利要求1所述的一种基于惯性测量单元旋转的陀螺漂移估计补偿方法，其特征在于:所述的新姿态下的横滚角Φ,、俯仰角Θ，的计算方法为: 1)根据u和△α计算惯性测量单元所在坐标系的旋转矩阵S:
4.实现如权利要求1~3所述方法的一种基于惯性测量单元旋转的陀螺仪漂移估计补偿装置，其特征在于:该装置包括惯性测量单元(I)、旋转平台(2)、控制单元(3)和计算单元(4);所述的旋转平台包括基座(21)、旋转架(22)和旋转电磁设备(23);所述的惯性测量单元固接于旋转架上，所述的旋转架套固在旋转电磁设备的旋转轴上，所述的旋转电磁设备固接在基座(1)上；所述的控制单元(4)包括驱动电路(31)和控制器(32);所述的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旋转电磁设备实现惯性测量单元的旋转运动；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，所述的计算单元获取惯性测量单元采集的运动信号并做实时计算。
【文档编号】G01C21/16GK103712622SQ201310750475
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】吴哲明, 孙振国, 张文增, 陈强 申请人:清华大学