航向姿態(tài)參考系統(tǒng)研究與實踐

王增勝

（黃河科技學院，河南 鄭州 450063）

航向姿態(tài)參考系統(tǒng)（Attitude Heading and Reference System，簡稱AHRS），是基于MEMS傳感技術(shù)的固態(tài)慣性測量系統(tǒng)，通過測量角速率、線加速度和磁場強度來構(gòu)成一個電子穩(wěn)定的姿態(tài)航向參考系統(tǒng)，是一種集成智能傳感系統(tǒng)。AHRS廣泛應(yīng)用于如下領(lǐng)域：

（1）智能車輛的導航、制導與控制系統(tǒng)的開發(fā)；

（2）雷達天線的穩(wěn)定跟蹤平臺、無人機的吊艙；

（3）軍用無人車輛上的穩(wěn)瞄系統(tǒng)、坦克上的穩(wěn)瞄系統(tǒng)；

（4）艦艇上衛(wèi)星天線的伺服跟蹤；

（5）制導彈藥的自動駕駛儀。

現(xiàn)代的武器系統(tǒng)的發(fā)展，趨于研發(fā)自主化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、低成本化和高精度化。精確打擊技術(shù)的前提，是制導武器必須裝備能夠感知自身在地球上的位置、速度和姿態(tài)、時間的裝備和目標跟蹤設(shè)備，即各種導航設(shè)備和目標搜索、跟蹤用的雷達導引頭、紅外導引頭、激光導引頭等。隨著新概念武器的發(fā)展，微型飛行器、微型機器人將會成為AHRS應(yīng)用的新領(lǐng)域。除了用于武器、機器人和車輛而外，AHRS也用在了星際探測系統(tǒng)上。地面上的車輛、機器人也需要有一種價格低、性能好的、能夠感知載體姿態(tài)變化的設(shè)備，空中的無人機也需要有重量輕、體積小、功耗低、成本低的、能提供無人機飛行姿態(tài)的儀器。

傳統(tǒng)意義上能夠感知載體的自身位置、速度、姿態(tài)、時間的標準設(shè)備就是慣性導航系統(tǒng)，分為平臺式慣性導航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)?；跈C電陀螺和加速度計的慣性導航系統(tǒng)的成本大、體積大、功耗大，不適合在無人機、機器人、水下無人航行器和小型甚至微型飛行器上使用?；诠鈱W陀螺的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)現(xiàn)已成為武器系統(tǒng)主要的機載和彈載設(shè)備。自1991年在MIT的Draper實驗室研制出第一個微機械陀螺以來，基于MEMS的陀螺和加速度計的性能已大幅提升，價格卻在快速下降?；贛EMS陀螺和加速度計的IMU及組合導航系統(tǒng)已經(jīng)大量裝備美軍。在未來的10~20 a內(nèi)，基于MEMS技術(shù)的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)及以其為主的組合導航系統(tǒng)將占據(jù)大量的國際市場份額。

AHRS具有潛在的、巨大的市場需求。AHRS可以應(yīng)用的領(lǐng)域包括無人機、軍用飛機的吊艙無人車輛、動中通系統(tǒng)、機器人、水下航行器和星際探測車。雖然武器系統(tǒng)都裝備有兩套高精度的基于慣性導航的組合導航系統(tǒng)，但出于成本的考慮，并不是在每枚炸彈、每架無人機、每枚魚雷上都裝備同樣的組合導航系統(tǒng)。因此，基于MEMS技術(shù)的高性能導航系統(tǒng)或者功能稍少的航向姿態(tài)參考系統(tǒng)就成為制導彈藥、無人機、微型飛行器、機器人、無人車輛上必備的姿態(tài)、位置感知系統(tǒng)。

1 基于MEMS的航向姿態(tài)參考系統(tǒng)

基于MEMS的航向姿態(tài)參考系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機、嵌入式計算機等組成。加速度儀、陀螺儀和電子羅盤分別測得直升機的空間三軸的加速度、角速度和偏航角，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再通過同步串行接口SPI與單片機通訊，單片機通過RS232與計算機通信，并由計算機完成信息融合，得到直升機的航向姿態(tài)信息。

圖1 航姿參考系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于基于MEMS器件的姿態(tài)測量設(shè)備易受機動加速度的影響，且傳統(tǒng)測量方法無法消除運動加速度對姿態(tài)測量精度的影響，有學者利用MEMS與GPS結(jié)合，通過GPS進行輔助修正的姿態(tài)解算，規(guī)避了運動加速度對測量精度的影響，同時滿足靜態(tài)和動態(tài)情況的使用。

2 信息融合算法

2.1 姿態(tài)的四元數(shù)表示法

旋轉(zhuǎn)矢量法、歐拉角算法、四元數(shù)法和方向余弦法是常用的姿態(tài)解算方法。其中歐拉角算法可以通過解歐拉角微分方程得到橫滾角、航向角和俯仰角。歐拉角法有個弊端，即當俯仰角在90°附近時，方程將退化，故適用于水平姿態(tài)不大變化的條件下，而不適用于對全姿態(tài)的確定。方向余弦法不存在上述問題，但計算量較大，很少采用。四元素法算法簡單方便，計算量較小，是比較實用的工程方法。但對于高動態(tài)運載體，算法漂移十分嚴重。旋轉(zhuǎn)矢量法的精度一般比四元數(shù)法高，但其計算量較大，多用于經(jīng)常角機動或角振動較大的場合。旋轉(zhuǎn)矢量法可以采用單子樣算法和多子樣算法，當采用單子樣算法時則與四元數(shù)法等效。民航飛機和直升機通常處于低動態(tài)的工作狀態(tài)下，所以一般以四元數(shù)法作為其捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的姿態(tài)更新算法。

四元數(shù)是由四個元構(gòu)成的數(shù)，即：

式（1）中，q0、q1、q2、q3為實數(shù)，i、j、k為單位向量，相互正交，同時是虛單位，因此四元數(shù)是一個超復數(shù)，也可看作四維空間的一個向量。

在求解機體坐標系相對導航坐標系的角位移時，相當于由導航坐標系（n系）一次性等效旋轉(zhuǎn)而成，這種等效旋轉(zhuǎn)的所有信息包含在四元數(shù)Q中，姿態(tài)變換公式如下：

式（2）中，rb為b系中矢量，rn為b系對n系旋轉(zhuǎn)，并在n系中的矢量投影。坐標旋轉(zhuǎn)矩陣具體：

若已知運載體橫滾角g、航向角γ、俯仰角q時，機體坐標系對導航坐標系等效旋轉(zhuǎn)矩陣也可按如下形式表達：

式中，q0~q3的符號可以按下式確定，其中的值可以任意假設(shè)：

2.2 信息融合算法

利用計算機在一定準則下自動分析和綜合多傳感器的信息，從而完成所需的估計和決策的信息處理過程稱為信息融合。信息融合根據(jù)信息的抽象程度包括決策級融合、特征級融合和像素級融合。特征級融合屬于中間層次，是從原始信息中提取特征信息進行融合，以增加重要特征的準確性，或產(chǎn)生新的組合特征，靈活性較大，特征級融合方法有5種，分別是基于搜索的融合法、基于特征抽取的融合法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、邏輯推理法、概率統(tǒng)計法。概率統(tǒng)計法又分為卡爾曼濾波法、加權(quán)平均法和貝葉斯估計法。其中卡爾曼濾波法應(yīng)用廣泛，是多傳感器信息融合的主要手段之一。用卡爾曼濾波法對加速度計、磁傳感器和陀螺儀進行信息融合，能夠顯著提高姿態(tài)角的解算精度?？柭鼮V波算法流程如圖2所示。

圖2 卡爾曼濾波算法流程

3 航向姿態(tài)參考系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

航向姿態(tài)參考系統(tǒng)硬件設(shè)計包括選型、原理圖設(shè)計和PCB設(shè)計3部分。微處理器選用意法半導體公司STM32F405RGT6芯片。傳感器方面，選用了InvenSense公司的MPU-6000，它內(nèi)部集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計，每軸輸出對應(yīng)一個16位ADC，內(nèi)含可編程低通濾波器。芯片支持IIC和SPI兩種通信方式。磁傳感器采用PNI公司的Sen-R65，由繞線線圈和外殼組成，采用平行電路板安裝。另外，硬件系統(tǒng)設(shè)計還包括通信模塊、中斷與定時器模塊、存儲及運算單元等。

4 結(jié)論

由基于MEMS的航向姿態(tài)參考系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成入手，分析了航姿的四元數(shù)表示方法，采用卡爾曼濾波算法進行信息融合。圍繞選型確定了航向姿態(tài)參考系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案。實踐表明，基于上述方案設(shè)計的航向姿態(tài)參考系統(tǒng)滿足使用要求。