基于四元数自适应扩展卡尔曼滤波算法的航姿参考系统设计

摘要

针对海上无人设备航姿高精度测量需求，本研究提出一种基于四元数自适应扩展卡尔曼滤波器(AEKF)的航姿参考系统设计方案。首先，在对低成本微机电系统惯性器件进行误差补偿的基础上，选取四元数、陀螺仪零偏以及加速度计零偏作为状态量，融合加速度和磁强度作为观测量进行修正。然后，利用加速度量测新息特征对运动加速度进行识别，并设计自适应权重因子动态调整AEKF的量测噪声协方差，优化姿态解算过程；最后，设计硬件并进行了海上试验验证。试验结果表明，航姿参考系统俯仰角、横滚角及航向角在静态环境下精度分别为0.03°、0.03°、0.1°,在动态环境下精度分别为0.05°、0.05°、0.2°。本研究提出的AEKF方法具有良好的传感器误差补偿效果，在动态环境下，相较于基于变结构误差状态卡尔曼滤波(ESKF)算法和常规扩展卡尔曼滤波器(EKF)算法的航姿参考系统，俯仰角测量精度分别提升28.6%、50%,横滚角测量精度分别提升28.6%、50%,航向角测量精度分别提升23.1%、48.7%,可满足高动态场景下航姿测量精度需求。本研究设计的航姿参考系统可以应用于无人设备的姿态控制领域。

关键词

航姿参考系统 / 四元数 / 自适应扩展卡尔曼滤波算法 / 传感器误差补偿 / 微机电系统

基金资助

山东省重点研发计划项目(2022CXGC020408)