姿態(tài)航向參考系統(tǒng)（AHRS）

文章出處：新聞資訊責(zé)任編輯：深圳市廣陵達(dá)科技有限公司發(fā)表時間：2024-11-06 17:32:13

姿態(tài)和航向參考系統(tǒng) (AHRS) 使用由微機電系統(tǒng) (MEMS) 慣性傳感器組成的慣性測量單元 (IMU) 來測量角速率、加速度和地球磁場。然后可以使用這些測量結(jié)果來估計物體的姿態(tài)。

系統(tǒng)貢獻(xiàn)

AHRS 通常包括 3 軸陀螺儀、3 軸加速度計和 3 軸磁力計，以確定系統(tǒng)方向的估計。這些傳感器中的每一個都為組合系統(tǒng)提供不同的測量結(jié)果，并且每個傳感器都表現(xiàn)出獨特的局限性。

陀螺儀

陀螺儀為 AHRS 提供系統(tǒng)角速率的測量結(jié)果。然后對這些角速率測量值進(jìn)行積分以確定系統(tǒng)姿態(tài)的估計。然而，為了確定當(dāng)前姿態(tài)，還必須知道系統(tǒng)的初始姿態(tài)。隨著時間的推移，由于陀螺儀本身固有的噪聲和偏置特性，計算出的姿態(tài)會無限地偏離系統(tǒng)的真實姿態(tài)。

加速度計

加速度計為 AHRS 提供系統(tǒng)加速度的測量值，并假定僅測量重力。這種假設(shè)允許加速度計從重力矢量方向計算俯仰角和橫滾角，如圖 1.15 所示。然而，加速度計測量中的任何偏差或其他誤差都會導(dǎo)致俯仰角和滾動角的計算出現(xiàn)誤差。此外，由于假定加速度計僅測量重力，因此任何添加的動態(tài)運動也會導(dǎo)致系統(tǒng)俯仰和橫滾的計算出現(xiàn)錯誤。

加速度計俯仰和橫滾示意圖

圖：1.15 加速度計俯仰和橫滾

磁力計

由于加速度計只能測量俯仰和橫滾，因此磁力計通過將系統(tǒng)周圍磁場的測量值與地球磁場的測量值進(jìn)行比較，為 AHRS 提供偏航測量值，就像傳統(tǒng)的磁羅盤一樣。在大多數(shù) AHRS 裝置中，磁力計測量對俯仰角和橫滾角估計沒有影響。

雖然看似簡單，但使用磁力計準(zhǔn)確估計航向?qū)嶋H上非常具有挑戰(zhàn)性。地球磁場很弱，因此大型金屬結(jié)構(gòu)、高功率電纜或任何其他磁干擾都會扭曲地球磁場并導(dǎo)致估計航向角出現(xiàn)誤差。由 AHRS 固定的物體（例如車輛）引起的干擾可以使用稱為硬鐵和軟鐵 (HSI) 校準(zhǔn)的校準(zhǔn)進(jìn)行補償，但前提是這些干擾不隨時間變化。先進(jìn)的濾波技術(shù)可用于減輕環(huán)境中外部干擾的影響，但其有效性因制造商和應(yīng)用而異。

此外，地球的磁北極與真北或地球的地理北極不在同一位置。如果需要相對于正北的航向角，則必須將這兩個極點之間的偏角考慮到航向確定中。

系統(tǒng)融合

在 AHRS 中，陀螺儀、加速度計和磁力計的測量結(jié)果結(jié)合在一起，通常使用卡爾曼濾波器來提供系統(tǒng)方向的估計?？紤]到每個傳感器的假設(shè)，該估計技術(shù)使用這些原始測量值來得出姿態(tài)的優(yōu)化估計。除了姿態(tài)之外，卡爾曼濾波器還估計陀螺儀偏差或陀螺儀的漂移誤差。然后，陀螺儀偏置可用于補償原始陀螺儀測量結(jié)果，并有助于防止陀螺儀隨時間的漂移。通過將每個傳感器的數(shù)據(jù)組合到卡爾曼濾波器中，可以獲得系統(tǒng)的無漂移、高速定向解決方案。

AHRS 組件圖

圖：1.16 AHRS 組件圖

AHRS 的挑戰(zhàn)

雖然陀螺儀、加速度計和磁力計本身面臨的許多限制可以通過將它們組合在一起來緩解，但使用 AHRS 仍然存在一些挑戰(zhàn)，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)姿態(tài)估計出現(xiàn)錯誤。這些挑戰(zhàn)包括加速度計和磁力計上的瞬態(tài)和交流干擾、持續(xù)動態(tài)加速度以及內(nèi)部和外部磁干擾。

瞬態(tài)或振蕩干擾

通過這些時間常數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧和依賴集成陀螺儀，幾乎可以完全減輕在短時間內(nèi)引起加速度或磁擾的任何類型的瞬態(tài)或交流擾動。對于工業(yè)級傳感器，“短”時間段對應(yīng)于大約 <1 秒的持續(xù)時間，或振蕩速度快于 1 Hz，較高等級的傳感器能夠濾除較長的時間常數(shù)，反之亦然。

持續(xù)加速

持續(xù)的動態(tài)加速度可能會導(dǎo)致俯仰角和側(cè)傾角的估計出現(xiàn)問題，因為加速度計單獨測量重力的假設(shè)不斷被違反。對于 AHRS 來說，最常見的情況是飛機在傾斜轉(zhuǎn)彎時出現(xiàn)嚴(yán)重問題。當(dāng)這種情況發(fā)生時，加速度計測量重力加上由于沿彎曲路徑行進(jìn)產(chǎn)生的向心力而產(chǎn)生的長期加速度。這會產(chǎn)生一個垂直于飛機機翼的測量矢量，并導(dǎo)致 AHRS 估計滾轉(zhuǎn)角為零，而飛機實際上處于傾斜轉(zhuǎn)彎，因此相對于地平線具有顯著的滾轉(zhuǎn)角，如圖所示1.17。

協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎中測得的加速度

圖：1.17 協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎中測得的加速度

持續(xù)的動態(tài)加速度也可能是由系統(tǒng)的啟動和停止引起的，例如起飛和著陸期間的飛機或紅綠燈處的車輛。這種類型的運動會導(dǎo)致估計系統(tǒng)俯仰角的問題。不幸的是，在持續(xù)動態(tài)加速期間，陀螺儀不能用于承受運動，因為其固有的漂移意味著它在較長時間內(nèi)不可信。

最后，彈道飛行、自由落體或軌道動力學(xué)使加速度計測量為零，從而無法向 AHRS 濾波器提供有關(guān)傳感器方向的信息。這對于彈道飛行來說尤其成問題，因為 AHRS 可能會混淆風(fēng)阻和重力。

如果 AHRS 接收系統(tǒng)的實時速度測量值，則可以在姿態(tài)估計中估計和補償持續(xù)動態(tài)加速度。

磁干擾

系統(tǒng)內(nèi)部或外部的磁干擾也會給 AHRS 帶來問題，并導(dǎo)致磁力計測量偏置和扭曲的磁場。內(nèi)部磁干擾是 AHRS 牢固連接的系統(tǒng)的磁特征造成的。它們可以是非可變干擾，例如鋼板，也可以是可變干擾，例如電機或多旋翼。外部磁干擾是由系統(tǒng)周圍環(huán)境中的任何物體引起的，例如電池、電子產(chǎn)品、汽車、混凝土中的鋼筋和其他含鐵材料。這些磁干擾導(dǎo)致磁力計測量誤差增加，從而導(dǎo)致航向角估計誤差。為了解決系統(tǒng)內(nèi)部任何不變的磁干擾，可以在系統(tǒng)上執(zhí)行硬鐵和軟鐵 (HSI) 校準(zhǔn)。

“無漂移”解決方案中的漂移

由于傳感器偏差或違反各自的操作假設(shè)，加速度計和磁力計姿態(tài)解決方案中存在的誤差在較長時間內(nèi)在 AHRS 解決方案中無法避免。事實上，這些錯誤可能會導(dǎo)致 AHRS 的“無漂移”姿態(tài)解決方案出現(xiàn)有限漂移。

通過靜態(tài)-動態(tài)-靜態(tài)測試可以揭示這一點的一個簡單說明。該測試分為三個部分，其中系統(tǒng)在測試的第一部分中處于靜止?fàn)顟B(tài)，在短暫的第二部分中經(jīng)歷動態(tài)運動，最后在測試的第三部分中返回到靜止?fàn)顟B(tài)。在靜止期間，系統(tǒng)的姿態(tài)最終來自（可能是錯誤的）加速度計和磁力計測量。然而，在簡短的動態(tài)部分，陀螺儀測量主導(dǎo) AHRS 響應(yīng)。

圖 1.18 顯示了靜態(tài)-動態(tài)-靜態(tài)測試的示例，其中在車輛轉(zhuǎn)彎時跟蹤偏航測量。在這種情況下，車輛的磁特征尚未使用 HSI 校準(zhǔn)進(jìn)行補償，因此在整個測試過程中磁航向測量不準(zhǔn)確。

靜-動-靜響應(yīng)

圖：1.18 靜-動-靜響應(yīng)

在測試的初始靜止部分，磁力計測量確定車輛的航向。一旦車輛開始駛過轉(zhuǎn)彎，陀螺儀就會準(zhǔn)確地跟蹤航向的變化，即使初始航向是錯誤的。轉(zhuǎn)彎完成后，車輛返回靜止?fàn)顟B(tài)。隨著時間的推移，即使對于經(jīng)過良好調(diào)整的 AHRS，磁力計也會在陀螺儀中發(fā)揮自身的作用，因為陀螺儀中可能存在的漂移會阻止 AHRS 繼續(xù)信任其集成解決方案。由于磁力計仍然受到車輛磁特征的影響，因此 AHRS 報告的航向會發(fā)生漂移，直到它穩(wěn)定在磁力計報告的新（仍然錯誤）航向中。