【技术实现步骤摘要】
一种具备高精度和抗干扰能力的IMU姿态角估算方法
本专利技术涉及姿态角估算
，具体而言，尤其涉及一种具备高精度和抗干扰能力的IMU姿态角估算方法。
技术介绍
惯性测量单元(IMU是其英文简称)姿态估计在航天，机器人技术，导航，人体运动分析和机器交互等领域中起着至关重要的作用。传感器IMU由三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪组成。但由于MEMS陀螺仪存在漂移，误差会随时间累积增大，因此解算的姿态角会因为时间累积而偏移实际角度。另外，由于三轴加速度计在刚体运动过程中会受到离心力等外力等附加干扰，也会降低姿态估计算法的精度，因此需要姿态估计算法处理测量数据，尽可能降低测量精度对姿态角估算精度的影响。现有的技术包括学者杨诚建立了具有非线性模型的广义卡尔曼滤波估计器，基于带有约束方程的新目标函数，提出了一种自适应无损卡尔曼滤波器的新估计器，也有学者提出了判断仅使用加速度测量和仅使用陀螺仪数据独立估算的的姿态角在一个时间窗口内是否相似，从而在线更改辅助滤波器的参数的方法，另外也有学者通过实时的陀螺仪数据一阶差分数据处理算法，...
【技术保护点】
1.一种具备高精度和抗干扰能力的IMU姿态角估算方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：通过惯性测量单元获取三轴加速度数据和三轴角速度数据；/n步骤二：通过下位机获取所述惯性单元的数据，并上传至上位机；/n步骤三：对四元数初始化；根据采样初始时刻的三轴加速度信息，获取该时刻以载体为参考系的刚体姿态的四元数表达式，通过在载体坐标系、地面坐标系中对重力矢量的描述获取两参考系四元数的转换关系；/n步骤四：通过龙格库塔法对用四元数表示的姿态信息进行更新；/n步骤五：计算基于加速度的偏差四元数；/n步骤六：自适应降低下采样频率和插值拟合；/n步骤七：确定最优连续跳跃数据组；若某时...
【技术特征摘要】
1.一种具备高精度和抗干扰能力的IMU姿态角估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过惯性测量单元获取三轴加速度数据和三轴角速度数据；
步骤二：通过下位机获取所述惯性单元的数据，并上传至上位机；
步骤三：对四元数初始化；根据采样初始时刻的三轴加速度信息，获取该时刻以载体为参考系的刚体姿态的四元数表达式，通过在载体坐标系、地面坐标系中对重力矢量的描述获取两参考系四元数的转换关系；
步骤四：通过龙格库塔法对用四元数表示的姿态信息进行更新；
步骤五：计算基于加速度的偏差四元数；
步骤六：自适应降低下采样频率和插值拟合；
步骤七：确定最优连续跳跃数据组；若某时刻采样数据可信赖程度不满足条件而上一时刻采样数据满足，则需要跳过一定数目的数据组数，因此确定最优连续跳跃数据组。
2.根据权利要求1所述的一种具备高精度和抗干扰能力的IMU姿态角估算方法，其特征在于，
根据四元数乘法性质，改进的姿态转换四元数为：
其中，表示偏差四元数，表示从载体坐标系到地面坐标系的转换四元数，表示经过修正后的转换四元数；
定义为增量四元数Δqacc归一化后的形式，其中Δqacc满足下式：
其中，
解得：
根据运动剧烈程度的不同，引入单位四元数qI＝[1000]T作为基准量，通过qI和Δqacc之间偏离程度使用两种不同的插值方法。
当刚体运动状态变化较为平缓，加速度数据可信度较高，和qI比较接近，当刚体运动状态变化较为剧烈时，加速度数据可信度降低，此时Δqacc和qI偏差较大。
根据经验，当Δq0acc＞0.9时，采用简单线性插值，得到偏差四元数如下式所示：
当Δq0acc≤0.9时，采用球面线性插值，归一化后得到偏差四元数如下式所示：
其中，Δq0acc是Δqacc的第一个分量，角度Π的余弦等于四元数Π和的Δqacc点积，α为干扰强度。
3.根据权利要求1所述的一种具备高精度和抗干扰能力的IMU姿态角估算方法，其特征在于，
根据加速度数据特点，分别设置相邻时刻三轴加速度之差绝对值的阈值Ax,Ay,Az，阈值的大小和所有相邻两个采样时刻加速度数据之差的绝对值有关，取所述绝对值的前95％位。
当某一采样时刻X,Y,Z三轴加速度采样数据中的任意一轴绝对值之差大于所有采样数据绝对值之差不满足下式的条件时，
|axi-axi-1|＜Ax
|ayi-ayi-1|＜Ay
|az...
【专利技术属性】
技术研发人员：佟国峰，张哲，王建宾，宋波，彭浩，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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