低阶线性Kalman滤波实时定姿算法的设计与实现.pdf

2015年第1期
导弾与航天运载技术
No.12015
总第33
MISSILES AND SPACE VEHICLES
Sum No.3
文章编号:1004-7182(2015)01-0079-05
DOT:10.765411s9.1004-7182.20150118
低阶线性 Kalman滤波实时定姿算法的设计与实现
朱文杰,王广龙,高风岐,乔中涛
(军械工程学院纳米技术与微系统实验室,石家庄,050003)
摘要:从 Kalman滤波定姿算法的实时实现出发,设计一种降维 Kalman滤波器。推导了加速度计、磁强计组合全方位姿
态角的解算公式。基于四元数微分方程,采用四阶龙格-库塔法对陀螺仪输出的角速率数据进行处理,建立了递推关系式,并
以姿态四元数作为系统的状态矢量,构成四维 Kalman滤波器。在DM3730 Cortex-A8处理器平台上对算法进行实现和实验验
正。实验结果表明,经过降维处理后的算法,显著降低算法的实现复杂度和计算量,滤波效果及实时性能均达到预期的目标
具有较强的实用性
关键词:卡尔曼滤波器;定姿;四元数; orlcx-A8;实时性
中图分类号:TP274
文献标识码:A
Design and Implementation of a Low-order and Linear Kalman Filtering
Algorithm for Real-time Attitude Determination
Zhu Wen-jie, Wang Guang-long, Gao Feng-qi, Qiao Zhong-tao
Lab of Nanotechnology and Micro-system, College of Mechanical Engineering, Shijiazhuang, 050003)
Abstract: A dimensionality reduced Kalman filter is designed in this paper, to satisfy the real-time implementation of the Kalman
filtering al orithm for attitude determination. A full range attitude angle calculating formula is derived for accelerometer and
magna. Four-order Rungc-ku a mthod based on quaterion diferential quation is used to dispose the oulput angular ratc data
from gyroscope, and a recurrence cxpression is cstablishcd. Aulitudc quaternion is choscn as the siatc vcctor of the systcm to form a
four-dimensional Kalman ier. Finally, the whole algorithm is realized and verified on D 3730 Cortex-a8 processor pal orm. The
experimenta results how that the dimensionality reduced algorithm significantly reduces the implementation complexity of the
algorithm and the amount of compulation, and the Filtering clect and real-timc pcrformance reach the cxpcetcd goal, so it has good
practicality
Key Words: Kalman filter, Altitude dctermination; Quatcrnion: Cortcx-a8;Rcal-limc
度、震动、磁场等环境因素影响的缺点,需要采用一定
姿态确定在航空航天、军事、人体运动学分析、的处理算法对其测量输出进行处理,以消除误差和干
消费类电子产品及机器人等众多领域有着广泛的应扰。
用。由微机电系统( Microelectromechanical System,
姿态估计常用的算法是 Kalman滤波及其各种扩
MEMS)传感器组成的微惯性测量单元(MIMU),辅展和衍生形式,如EKF、UKF、联邦 Kalman滤波等。
以微磁强计纽成的航向姿态参考系统(AHRS),可实现文献[3]使用UKF和互补滤波组合的方法对姿态估计
对被测对象的全姿态参数进行测量。与传统的平台式定和陀螺仪误差补偿的方法进行了研究:文献[5]、[?均
姿系统及激光陀螺、光纤陀螺等定姿系统相比,AHRS采用与本文类似的传感器组成结构,但其滤波器均为7
具有体积小、质量轻、功耗低、自主性强、系统实现简阶,且都需要事先确定地球重力场和磁场模型,且前
单、性价比较高等优点,得到广泛关注和应用。但此类者采用EKF算法,使用高斯-牛顿迭代法需要讣算姿态
测姿传感器大都存在长期稳定性较差、漂移大、易受温矩阵的雅可比矩阵,运算量较大:文献[2]、[7使用了
收稿凵期:2013-05-06:修回期:2013-06-15
作者简介:朱文杰(1988-),男,硕士研究生,主要从事测试计量技术及仪器的研究