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(shí)間：2024-11-06 17:32:13

姿態(tài)和航向參考系統(tǒng) (AHRS) 使用由微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 慣性傳感器組成的慣性測(cè)量單元 (IMU) 來(lái)測(cè)量角速率、加速度和地球磁場(chǎng)。然后可以使用這些測(cè)量結(jié)果來(lái)估計(jì)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(jì)和 3 軸磁力計(jì)，以確定系統(tǒng)方向的估計(jì)。這些傳感器中的每一個(gè)都為組合系統(tǒng)提供不同的測(cè)量結(jié)果，并且每個(gè)傳感器都表現(xiàn)出獨(dú)特的局限性。

陀螺儀

陀螺儀為 AHRS 提供系統(tǒng)角速率的測(cè)量結(jié)果。然后對(duì)這些角速率測(cè)量值進(jìn)行積分以確定系統(tǒng)姿態(tài)的估計(jì)。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(shí)間的推移，由于陀螺儀本身固有的噪聲和偏置特性，計(jì)算出的姿態(tài)會(huì)無(wú)限地偏離系統(tǒng)的真實(shí)姿態(tài)。

加速度計(jì)

加速度計(jì)為 AHRS 提供系統(tǒng)加速度的測(cè)量值，并假定僅測(cè)量重力。這種假設(shè)允許加速度計(jì)從重力矢量方向計(jì)算俯仰角和橫滾角，如圖 1.15 所示。然而，加速度計(jì)測(cè)量中的任何偏差或其他誤差都會(huì)導(dǎo)致俯仰角和滾動(dòng)角的計(jì)算出現(xiàn)誤差。此外，由于假定加速度計(jì)僅測(cè)量重力，因此任何添加的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)俯仰和橫滾的計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤。

加速度計(jì)俯仰和橫滾示意圖

圖：1.15 加速度計(jì)俯仰和橫滾

磁力計(jì)

由于加速度計(jì)只能測(cè)量俯仰和橫滾，因此磁力計(jì)通過(guò)將系統(tǒng)周?chē)艌?chǎng)的測(cè)量值與地球磁場(chǎng)的測(cè)量值進(jìn)行比較，為 AHRS 提供偏航測(cè)量值，就像傳統(tǒng)的磁羅盤(pán)一樣。在大多數(shù) AHRS 裝置中，磁力計(jì)測(cè)量對(duì)俯仰角和橫滾角估計(jì)沒(méi)有影響。

雖然看似簡(jiǎn)單，但使用磁力計(jì)準(zhǔn)確估計(jì)航向?qū)嶋H上非常具有挑戰(zhàn)性。地球磁場(chǎng)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(huì)扭曲地球磁場(chǎng)并導(dǎo)致估計(jì)航向角出現(xiàn)誤差。由 AHRS 固定的物體（例如車(chē)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(bǔ)償，但前提是這些干擾不隨時(shí)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(duì)于正北的航向角，則必須將這兩個(gè)極點(diǎn)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(jì)和磁力計(jì)的測(cè)量結(jié)果結(jié)合在一起，通常使用卡爾曼濾波器來(lái)提供系統(tǒng)方向的估計(jì)?？紤]到每個(gè)傳感器的假設(shè)，該估計(jì)技術(shù)使用這些原始測(cè)量值來(lái)得出姿態(tài)的優(yōu)化估計(jì)。除了姿態(tài)之外，卡爾曼濾波器還估計(jì)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(bǔ)償原始陀螺儀測(cè)量結(jié)果，并有助于防止陀螺儀隨時(shí)間的漂移。通過(guò)將每個(gè)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(wú)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(jì)和磁力計(jì)本身面臨的許多限制可以通過(guò)將它們組合在一起來(lái)緩解，但使用 AHRS 仍然存在一些挑戰(zhàn)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)姿態(tài)估計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。這些挑戰(zhàn)包括加速度計(jì)和磁力計(jì)上的瞬態(tài)和交流干擾、持續(xù)動(dòng)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(guò)這些時(shí)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(shí)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(dòng)。對(duì)于工業(yè)級(jí)傳感器，“短”時(shí)間段對(duì)應(yīng)于大約 <1 秒的持續(xù)時(shí)間，或振蕩速度快于 1 Hz，較高等級(jí)的傳感器能夠?yàn)V除較長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)，反之亦然。

持續(xù)加速

持續(xù)的動(dòng)態(tài)加速度可能會(huì)導(dǎo)致俯仰角和側(cè)傾角的估計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)榧铀俣扔?jì)單獨(dú)測(cè)量重力的假設(shè)不斷被違反。對(duì)于 AHRS 來(lái)說(shuō)，最常見(jiàn)的情況是飛機(jī)在傾斜轉(zhuǎn)彎時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，加速度計(jì)測(cè)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(zhǎng)期加速度。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于飛機(jī)機(jī)翼的測(cè)量矢量，并導(dǎo)致 AHRS 估計(jì)滾轉(zhuǎn)角為零，而飛機(jī)實(shí)際上處于傾斜轉(zhuǎn)彎，因此相對(duì)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(cè)得的加速度

圖：1.17 協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎中測(cè)得的加速度

持續(xù)的動(dòng)態(tài)加速度也可能是由系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止引起的，例如起飛和著陸期間的飛機(jī)或紅綠燈處的車(chē)輛。這種類型的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致估計(jì)系統(tǒng)俯仰角的問(wèn)題。不幸的是，在持續(xù)動(dòng)態(tài)加速期間，陀螺儀不能用于承受運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槠涔逃械钠埔馕吨谳^長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不可信。

最后，彈道飛行、自由落體或軌道動(dòng)力學(xué)使加速度計(jì)測(cè)量為零，從而無(wú)法向 AHRS 濾波器提供有關(guān)傳感器方向的信息。這對(duì)于彈道飛行來(lái)說(shuō)尤其成問(wèn)題，因?yàn)?AHRS 可能會(huì)混淆風(fēng)阻和重力。

如果 AHRS 接收系統(tǒng)的實(shí)時(shí)速度測(cè)量值，則可以在姿態(tài)估計(jì)中估計(jì)和補(bǔ)償持續(xù)動(dòng)態(tài)加速度。

磁干擾

系統(tǒng)內(nèi)部或外部的磁干擾也會(huì)給 AHRS 帶來(lái)問(wèn)題，并導(dǎo)致磁力計(jì)測(cè)量偏置和扭曲的磁場(chǎng)。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(jī)或多旋翼。外部磁干擾是由系統(tǒng)周?chē)h(huán)境中的任何物體引起的，例如電池、電子產(chǎn)品、汽車(chē)、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(jì)測(cè)量誤差增加，從而導(dǎo)致航向角估計(jì)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(wú)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(jì)和磁力計(jì)姿態(tài)解決方案中存在的誤差在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)在 AHRS 解決方案中無(wú)法避免。事實(shí)上，這些錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致 AHRS 的“無(wú)漂移”姿態(tài)解決方案出現(xiàn)有限漂移。

通過(guò)靜態(tài)-動(dòng)態(tài)-靜態(tài)測(cè)試可以揭示這一點(diǎn)的一個(gè)簡(jiǎn)單說(shuō)明。該測(cè)試分為三個(gè)部分，其中系統(tǒng)在測(cè)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(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，最后在測(cè)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(lái)自（可能是錯(cuò)誤的）加速度計(jì)和磁力計(jì)測(cè)量。然而，在簡(jiǎn)短的動(dòng)態(tài)部分，陀螺儀測(cè)量主導(dǎo) AHRS 響應(yīng)。

圖 1.18 顯示了靜態(tài)-動(dòng)態(tài)-靜態(tài)測(cè)試的示例，其中在車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)跟蹤偏航測(cè)量。在這種情況下，車(chē)輛的磁特征尚未使用 HSI 校準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償，因此在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中磁航向測(cè)量不準(zhǔn)確。

靜-動(dòng)-靜響應(yīng)

圖：1.18 靜-動(dòng)-靜響應(yīng)

在測(cè)試的初始靜止部分，磁力計(jì)測(cè)量確定車(chē)輛的航向。一旦車(chē)輛開(kāi)始駛過(guò)轉(zhuǎn)彎，陀螺儀就會(huì)準(zhǔn)確地跟蹤航向的變化，即使初始航向是錯(cuò)誤的。轉(zhuǎn)彎完成后，車(chē)輛返回靜止?fàn)顟B(tài)。隨著時(shí)間的推移，即使對(duì)于經(jīng)過(guò)良好調(diào)整的 AHRS，磁力計(jì)也會(huì)在陀螺儀中發(fā)揮自身的作用，因?yàn)橥勇輧x中可能存在的漂移會(huì)阻止 AHRS 繼續(xù)信任其集成解決方案。由于磁力計(jì)仍然受到車(chē)輛磁特征的影響，因此 AHRS 報(bào)告的航向會(huì)發(fā)生漂移，直到它穩(wěn)定在磁力計(jì)報(bào)告的新（仍然錯(cuò)誤）航向中。