
收稿日期! !"#$%"4%!$! 修回日期! !"#$%#"%"&((基金项目! 国家自然科学基金资助项目")#!"#"&)$ !机器人技术与系统国家重点实验室
开放基金重点资助项目"1iOa1%!"#"%!g%"iOa1%!"#"%W1%#"$ !江苏省高校自然科学研究面上资助项目"#"id,'#"""$$ !常州市科技资助项目
"+d!"##""!$# +W!"#!$"")$ !常州大学博士启动基金资助项目" QW2##"!"""$$
作者简介!戎海龙"#&4"%$#男#河北正定人#讲师#博士#主要研究方向为惯性导航系统"HR 6?l#):#)$>ADK$!彭翠云"#&*&%$#女#湖北荆门人#
讲师#硕士#主要研究方向为汽车电子工程!马正华"#&)!%$#男#江苏常州人#教授#学士#主要研究方向为嵌入式系统>
基于惯性
$
地磁组合的运动体姿态测量算法分析
!
戎海龙! 彭翠云! 马正华
"常州大学 信息科学与工程学院# 江苏 常州 !#$#)-$
摘(要! 惯性,地磁组合由于不需要外部参考源而可获得运动体姿态#因而在大空间范围内的人体运动跟踪领
域获得广泛应用( 目前适用于惯性,地磁组合的姿态测量算法很多#然而在传感器随机误差及运动体线加速度
干扰的影响下#这些算法的静动态性能各异( 详细分析了五种姿态解算算法#包括线性卡尔曼算法'状态方程非
线性的卡尔曼算法
'观测方程非线性的卡尔曼算法'aekTe1B算法以及 U[L7KM6%aekTe1B算法#结果表明#观测方
程非线性的卡尔曼算法以及 U[L7KM6%aekTe1B算法兼具良好的静动态性能#然而前者受初始估计影响严重#后者
存在漂移现象#因而一个很好的建议是将两者进行整合#以构成一种新的具有更好静动态性能的姿态解算算法(
关键词! 惯性,地磁组合! 姿态测量! 运动体! 卡尔曼算法! aekTe1B算法
中图分类号! BC$"#>) (((文献标志码! 3(((((文章编号! #""#%$)&'"!"#-$")%#)'*%"-
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!
(引言
惯性3地磁组合主要目的是用于运动体姿态测量! 其硬件
由三轴加速度计&三轴陀螺仪和三轴地磁传感器等 WeW1 传
感器构成
!软件为数据融合算法以实施姿态解算" 也称为姿态
解算算法$' 相对于视觉
(#)
&超声
(!)
&激光
($)
&微波
(-)
&电磁跟
踪
(')
等测量技术来说!其主要优势在于不需要任何外部参考
源!因而 不 受 限 于 某 一 局 域 环 境! 目 前 在 人 体 运 动 跟 踪 领
域
() ]##)
应用较为广泛' 该组合的姿态测量精度完全取决于传
感器的各种输出误差!其中包括静态误差" 如正交安装误差&
刻度因数误差&零偏&温度漂移等$&动态误差"如交叉轴耦合
误差等!主要针对陀螺仪和加速度计$&铁磁环境影响误差" 如
附加磁场干扰及铁磁体引起的地磁场畸变等!主要针对地磁传
感器$&运动体线加速度干扰" 针对加速度计$ 及随机误差" 包
括随机游走& 随机噪声等$!其中静态误差和动态误差可以通
过传感器设计
&精密加工及组装以及后续的标定实验等环节加
以消除
!其余误差则需要利用姿态解算算法加以抑制!本文将
关注后者'
一般来说!以陀螺仪为硬件的姿态解算算法" 包括方向余
弦算法& 四元数微分算法&等效矢量算法等$ 的动态精度较高!
然而由于陀螺仪随机误差影响!算法存在发散现象#相对应地!
以加速度计和传感器组合为硬件的姿态解算算法" 包括 BaP%
3g
(#!)
&kTe1B
(#!)
&2UaW
(#$)
&e1Uk
(#-)
&e1Uk!
(#')
&V
(#))
&e=6?H%
V
(#*)
等算法$ 静态精度较高!然而由于运动体线加速度干扰等
因素!算法动态精度欠佳' 以上分析表明!以惯性3地磁组合
为硬件的姿态解算算法的研究重点是如何将上述两类算法的
输出结果进行再次融合!以使算法在上述各种误差影响下兼具
更高的动态和静态性能'
目前适用于惯性3地磁组合的姿态解算算法主要分为两
类%M$建立在概率论" 最小方差估计$ 基础上的卡尔曼算法!包
括线性卡尔曼算法
(#4)
&状态方程非 线性
(##)
或观测方程非线
第 $# 卷第 ) 期
!"#- 年 ) 月(
计 算 机 应 用 研 究
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