基于MUP6050和HMC5883L的姿态求解算法外文翻译资料

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基于MUP6050和HMC5883L的姿态求解算法

Ji Jin1, Hongfei Wang, Donghui Liu, Xue Du

摘要：在飞机控制中，获取当前的飞机姿态是控制飞机飞行的基础。本文采用MUP6050和HMC5883L传感器来测量飞机的姿态。随着时间的推移，积分误差的积累越来越大。在静态中，当使用陀螺仪解决飞机姿态，我们可以获得相对稳定的姿态，但是在大加速度时，使用加速度计解算器时，姿态会受到大加速度的干扰。，使用电子罗盘求解器，姿态数据在电机强磁中失去准确性。本文采用陀螺仪，加速度计和电子罗盘的数据用插值法求解姿态。

关键词：姿态解算器算法；MUP6050；HMC5883L；飞机控制

绪论

近年来，MEMS传感器越来越成熟，被广泛用作最佳选择的低成本姿态测量设备，因此本项目所用传感器均为MEMS传感器。其中MUP6050传感器集成了三轴陀螺仪和三轴陀螺仪，可以测量的三轴加速计
角速度和加速度; HMC5883L传感器具有检测地磁场矢量的能力，可以对这两个传感器采集的数据进行分析处理，最终得到飞机姿态数据，即飞机欧拉角。

传感器校准

陀螺仪校准

对于陀螺仪固定输出为0的传感器，可以很容易地校正偏差。传感器是固定的，那么输出值被平均以给出这个偏差。例如（1）。在实际使用中，测量值减去偏差结果值是修正。 实际应用公式如（2），A是零点偏移值，3times;1矩阵，单位：LSB； Y为校准值，3times;1矩阵，单位：rad / s；X_i是个测量原始值，单位：LSB；增益为转换系数，单位：（rad / s）/ LSB，由下式给出传感器数据表。

• 1. 加速度计和电子罗盘校准

加速度传感器和罗盘传感器可以测量传感器位置矢量场的值。在静态加速度计可以测量等效引力场中，电子罗盘是测量地磁场的。下面仅描述加速度计校准，电子罗盘校准等值。

加速度测量对象是重力，它是重力和运动加速度的矢量和。当静止时，运动加速度为0.加速度计测量的等效值是重力加速度，所以我们可以利用该特性来校正加速度计。 加速度计校准方法是：平移和缩放测量值，并将测量值拟合到重力加速度。因此校正任务：找到最佳平移和缩放参数，使整体测量数据更接近重力加速度。

记下测量值为，修正值为，平移参数为，缩放参数，它们的关系是（3）。

定义误差u是测量值和引力常数G的平方差，如（4）。

将（3）代入（4），我们可以得到：

设目标函数为U，对整体误差加权，这里用单个误差平方和。

校正任务：U取最小值，U的最小值取极值，即一阶偏导数为0。

数据融合

首先介绍了“姿态插值法”，该方法的过程分为两部分：首先，如果已知初始姿态，我们可以使用积分陀螺仪，不断计算下一个姿态，这部分动态性能是高性能的，但是错误会累积；其次，加速度计和电子罗盘可以直接计算态度，期望的态度是正确的，但如上所述，这种态度具有嘈杂性和不稳定性。为了结合两个系统的优点，可以将两个系统的结果进行插值，将获得的值作为当前的姿势。

更深层次，态度实际上是一种旋转变换，显示了人体坐标系与地理坐标系之间的旋转关系，这里定义了一种从地理坐标系转换为体坐标系的态度。在这篇文章中，矩阵以粗体大写字母，如，左上角和左下角的图标表示从身体坐标系（飞机）到地理坐标系（地球）的变换;四元数以大写小写字母表示，如上下图标标准含义与变换矩阵相同;带箭头的矢量大写小写字母，例如，左边A表示体坐标系中的矢量坐标值。由于姿态本质上是一个旋转变换，根据欧拉刚性有限旋转定理，旋转变换可以串联连接，手势可以经受旋转变换成另一个姿态 。概念类比点和向量，态等价点，旋转等价向量，由向量指向另一点。如果四元数表示旋转，则由四元数乘法实现旋转序列。Quaternion表示旋转，计算旋转组合比其他方法少，因此无论是在计算机图形学领域，刚体旋转，飞机控制，四元数都具有举足轻重的地位。

这里说说“姿态插值法”的计算。 第一部分是第一部分 - 陀螺仪积分计算的态度。 陀螺仪输出时间离散角速度，随时间积分得到角度。

接下来谈谈第二部分。精度被定义为一个旋转变换两个坐标系，只要我们知道两个坐标系中的两个对应的矢量，就可以找出姿态。两对变量是加速度和磁场强度，测得的加速度和磁场强度在体坐标系中，地理坐标系的加速度和磁场是恒定的，在坐标系中存在旋转，加速度和磁场强度 系统可以转换为与地理坐标系中相对应的常量相一致，旋转就是所需的姿态。由于传感器系统误差，噪声等的影响，测量角度不是恒定值的加速度和磁场，并且不可能精确旋转和常量，所以我们只能寻求最近的旋转。原则上最接近 设置如下：首先旋转后共面四个向量; 第二，使旋转加速度后的平分线和磁场角与常数的平分线重合。

为了达到最接近的原则，处理的数量从加速度和磁场强度转换为它们的平面法线和角平分线。

算法验证

在静态状态下，姿态融合的思想是：基于陀螺，加速度计和罗盘校正误差，动态性能取决于陀螺仪，静态性能取决于加速度计和罗盘，因此静态情况是反映姿态融合的最佳方式 算法的优点。 图1是一个计算的滚动角度，每5秒进行一次连续1000次采样并进行时间采样。从图中可以看出，静态漂移约为0.15度，随着时间的推移逐渐减小，姿态插值静态效应是理想的。然后验证动态性能。数据如图2所示，浅绿色曲线是用加速度计和罗盘手势计算出来的，相当于第二部分姿态插值法，红色曲线是陀螺仪，加速度计和罗盘数据通过插值法融合。由于动态性能决定 由陀螺仪和相对于运动的几十度角度，噪声几乎可以忽略不计，这也是连续采样1000次，可以看出插值法的动态效果好。

图 1静态系统输出数据曲线

图 2动态系统输出数据曲线

结论

通过插值的方法使陀螺仪，加速度计和电子罗盘数据融合，从而提高陀螺仪误差的长期积累，改善加速度计受外部加速度影响以及改善电机罗盘电磁干扰等。实际测试结果表明，在静态 动态数据非常稳定，数据零点漂移小，动态性能稳定，精度可以达到0.01度，有效分辨率为0.1度，即使在5g加速度下，求解器数据也保持稳定。但计算量小 ，计算能力较低，微控制器的运算速度较慢。本文所使用的是基于cortex-M3内核的STM32F103ZET6控制器。

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