吉云飛，孔令兵，蔣 喆

（北京航天時代光電科技有限公司，北京100094）

基于雙ARM系統(tǒng)的MIMU航姿測量系統(tǒng)的研究及實現(xiàn)

吉云飛，孔令兵，蔣 喆

（北京航天時代光電科技有限公司，北京100094）

針對小型無人機武器平臺對航姿系統(tǒng)小型化、低成本、集成化的設計要求，提出了一種基于雙ARM系統(tǒng)的MIMU航姿測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了單板集成所有慣性測量、初始對準、慣性導航、組合導航，以及航姿測量等功能。通過車載導航試驗及飛行試驗考核，該系統(tǒng)可以滿足用戶應用需求。

MIMU；航姿測量系統(tǒng)；組合導航

0　引言

隨著MEMS慣性儀表工程化以及其逐步打破精度瓶頸限制的技術(shù)進步，其小型化、低功耗、低成本、抗力學性能好、帶寬高、數(shù)字化輸出的應用特點，越來越受到世界各國以及國內(nèi)各軍兵種的青睞。針對小型無人機等武器平臺對MIMU慣性測量系統(tǒng)日益提高的低成本、小型化、長航時的應用需求，本文提出了一種基于雙ARM系統(tǒng)的MIMU航姿測量系統(tǒng)，其應用特點如圖1所示。當BD導航信息有效時，系統(tǒng)進入MINS/BD/地磁組合導航狀態(tài)，實現(xiàn)領航功能；當BD導航信息長時間丟失或無效時，系統(tǒng)進入航姿工作模式，實現(xiàn)無人機作戰(zhàn)平臺的安全返航。通過合理的系統(tǒng)架構(gòu)及布局設計，實現(xiàn)了單板集成所有慣性測量、初始對準、慣性導航、組合導航，以及航姿測量等功能，并且進行了車載導航試驗及飛行試驗考核，驗證結(jié)果表明，該MIMU航姿測量系統(tǒng)具有低成本、小型化（55mm×38.5mm×9mm）、單片集成化的應用特點，相關性能精度可以滿足用戶應用需求。

圖1　MIMU航姿測量系統(tǒng)應用流程圖Fig.1 The application flow chrat of the MIMU AHRS

1　系統(tǒng)架構(gòu)設計

MIMU航姿測量系統(tǒng)架構(gòu)設計如圖2所示，其慣性測量單元包括三軸正交放置的MEMS陀螺儀以及三軸一體MEMS加速度計，主要用以完成小型無人機等平臺實時角速率及線加速度等慣性參量的測量；微處理器ARM1用于構(gòu)建數(shù)據(jù)總線，通過優(yōu)化SPI總線設計，完成MEMS陀螺和MEMS加速度計數(shù)據(jù)的實時、高速、同步采集，并將完成誤差補償后的MEMS儀表數(shù)據(jù)通過高速通信總線傳遞到微處理器ARM2中；微處理器ARM2則通過與微處理器ARM1進行實時通信，完成系統(tǒng)初始對準、慣性導航、組合導航、航姿測量等功能，并最終為飛控系統(tǒng)提供所需要的速度、姿態(tài)、位置等信息。圖3所示為 MIMU航姿測量系統(tǒng)照片。

圖2　MIMU航姿測量系統(tǒng)架構(gòu)設計框圖Fig.2 The design frame of the MIMU AHRS

該系統(tǒng)架構(gòu)設計的優(yōu)點在于:實現(xiàn)了慣性儀表測試數(shù)據(jù)的高速測量以及高速通信，避免了慣性測量同步誤差；通過合理數(shù)據(jù)總線設計，以及器件選型、布局，在高性能實現(xiàn)既定功能的基礎之上，實現(xiàn)了MIMU航姿測量系統(tǒng)小型化、單板集成化設計；實現(xiàn)了系統(tǒng)系列化設計，通過合理設計系統(tǒng)總線電路，實現(xiàn)了三款不同類型MEMS加速度計儀表的互換性設計，便于系統(tǒng)成本控制；便于系統(tǒng)批量生產(chǎn)，目前組合系統(tǒng)算法已固化至微處理器ARM2中，生產(chǎn)過程中不需要對ARM2進行任何操作，生產(chǎn)過程中需要進行的MEMS儀表參數(shù)標定及補償過程均在ARM1中完成，提高了產(chǎn)品研制過程中的工藝性、可靠性和安全性。

圖3　MIMU航姿測量系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.3 The photo of the MIMU AHRS

2　MIMU/BD/地磁組合導航算法優(yōu)化設計技術(shù)

圖4　MIMU/BD/地磁組合導航算法原理框圖Fig.4 The principle frame of the MIMU/BD/geomagnetic integrated navigation arithmetic

MIMU/BD/地磁組合導航算法原理框圖如圖4所示，信息融合濾波器原理圖［1］如圖5所示，項目研制過程中采用離散Kalman濾波算法作為系統(tǒng)多信息融合濾波器。Kalman濾波器是一種線性最小方差估計，由于其算法遞推、便于計算機執(zhí)行的特點，因此被廣泛應用于各類工程實際當中。但是，也正是如此，Kalman濾波算法的效果受到系統(tǒng)噪聲統(tǒng)計模型及計算機處理能力的限制，處理不當，甚至會引起濾波器發(fā)散。

圖5　信息融合濾波器原理圖Fig.5 The principle frame of the information fusion filter

2.1基于MIMU航姿測量系統(tǒng)的kalman濾波器優(yōu)化設計算法

如何有效解決ARM微處理器計算能力對系統(tǒng)濾波精度的限制，避免MEMS儀表較大的系統(tǒng)噪聲造成濾波器的不穩(wěn)定甚至發(fā)散，是項目研制過程中需要解決的第一個問題。

通過對Kalman濾波算法對微處理器計算能力的要求進行分析，其主要的運算量在于濾波器的時間更新過程中的離散化過程。并且，由于MEMS陀螺儀儀表噪聲（100（°）/h，1s平滑）較大，因此，傳統(tǒng)Kalman濾波離散化處理過程中易于受到系統(tǒng)噪聲的污染，影響系統(tǒng)姿態(tài)估計的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的Kalman濾波中對狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的離散化處理是將其進行泰勒展開［1］，如式（1）所示，濾波過程中需要對所有導航周期內(nèi)的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣進行離散化處理，并且往往不知道系統(tǒng)量測信息何時到來，因此對處理器計算載荷增加的同時，其短期濾波效果往往不夠好，高動態(tài)下甚至會造成系統(tǒng)的發(fā)散，需要增加限定記憶或衰減記憶等技術(shù)處理手段，不適合低成本MEMS慣性測量系統(tǒng)的應用。

式中，Tn為導航更新周期。

結(jié)合MIMU航姿測量系統(tǒng)較大的系統(tǒng)噪聲特點，項目研制過程中對系統(tǒng)Kalman濾波離散化過程進行了優(yōu)化處理，首先對系統(tǒng)噪聲進行平滑濾波處理，并且在離散化前端增加狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣累積濾波處理過程，避免系統(tǒng)噪聲誤差隨時間更新過程進入Kalman濾波器，隨后在濾波周期內(nèi)對系統(tǒng)進行離散化操作。其離散化優(yōu)化算法如式（2）所示。

式中，Tk為Kalman濾波周期。

本優(yōu)化算法避免了MEMS儀表較高的系統(tǒng)測量噪聲對Kalman濾波器穩(wěn)定性的影響，可以有效降低ARM微處理器的運算量，仿真表明，本算法還可以有效提高MIMU航姿測量系統(tǒng)機載環(huán)境下的動態(tài)穩(wěn)定性，并且不損失 Kalman濾波估計精度。

2.2航向阻尼技術(shù)研究

對于MINS/BD組合導航系統(tǒng)而言，衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以有效抑制速度及水平姿態(tài)角誤差的發(fā)散，但是對于航向角誤差發(fā)散的抑制作用是很有限的，因此需要采用磁羅盤進行航向角誤差的阻尼，其阻尼效果直接關系到系統(tǒng)組合導航濾波過程中的穩(wěn)定性。當系統(tǒng)無磁場干擾時，對于兩軸磁傳感器（X，Y），當其在水平面旋轉(zhuǎn)時，理想的輸出（Xh-Yh）應為一圓心位于原點的正圓。而干擾磁場存在時，其由硬鐵磁場與軟鐵磁場兩部分組成。硬鐵磁場由磁羅盤平臺（可認為是載體）上的永久性磁鐵和被磁化的鋼鐵物質(zhì)組成，其特點是當載體位于某一固定位置時，其強度為一定值，不隨航向的變化而變化，在輸出數(shù)據(jù)（Xh-Yh）中表現(xiàn)為固定偏移量。軟鐵磁場可認為由地球磁場與磁羅盤周圍的磁化物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生。與硬鐵磁場不同的是，軟鐵磁場強度的大小與方向與磁羅盤的方位有關［2］。另外，其還受到安裝誤差的影響，因此必須對系統(tǒng)羅差進行校正。依據(jù)Poisson給出的羅差數(shù)學模型［3］，可描述為式（3）～式（5）。

式中，mb為地磁場在載體坐標系下的投影，m為磁羅盤輸出，k為軟磁材料引起的羅差，b為硬磁材料引起的誤差。

當系統(tǒng)工作環(huán)境穩(wěn)定時，上述羅差系數(shù)a、b、c、d、e、f、g、h、i、p、q、r可以通過十二位置試驗進行最小二乘擬合得到，從而完成飛行試驗前的羅差系數(shù)標定。

載體飛行過程中，其電氣設備或外界磁場變化等均會引起地磁扭曲現(xiàn)象的存在，會影響系統(tǒng)航向及姿態(tài)的濾波效果，目前的方案是首先將系統(tǒng)磁羅盤輸出轉(zhuǎn)化到導航坐標系下，從而使濾波器選取的地磁參考方向與測得的地磁矢量方向一致，可以極大地校正地磁磁場扭曲造成的誤差［4］，其校正優(yōu)化方法如式（6）所示。

3　基于梯度下降法的航姿算法研究

針對航姿測量系統(tǒng)中MEMS器件精度低、易發(fā)散的問題，本項目采用一種基于梯度下降［4］的姿態(tài)融合算法將陀螺儀、加速度計和地磁信息進行融合，對四元數(shù)更新方程進行補償，以提高無衛(wèi)星導航信息時系統(tǒng)的測量精度。

3.1姿態(tài)解算的四元數(shù)法

四元數(shù)法是一種間接處理姿態(tài)解算的方法，四元數(shù)與方向余弦陣的關系可確定為:

用tij表示的元素（i=1，2，3；j=1，2，3），即可得到3個姿態(tài)角:

其中，陀螺儀測得機體坐標系下x、y、z軸的角速度。設T為采樣周期，則可對四元數(shù)進行更新。

3.2基于梯度下降的姿態(tài)融合算法

由于陀螺儀有累積誤差，因此，可把加速度計和磁強信息作為一個參考基準，在每次四元數(shù)更新時對其進行補償，從而實現(xiàn)這3種傳感器的數(shù)據(jù)融合，提高系統(tǒng)的測量精度和動態(tài)性能。

為簡化計算，將重力矢量gn=［00-1］T轉(zhuǎn)換到機體坐標系中，利用四元數(shù)可得到加速度計的輸出估計值:

式中，η是步長，其大小的選擇會直接影響到系統(tǒng)的動態(tài)特性和四元數(shù)收斂的快慢，在本項目，此值確定為0.026。

4　飛行試驗驗證

4.1車載導航試驗驗證

車載導航試驗過程中，選取MTI系統(tǒng)作為參考基準，分別對組合導航模式和航姿模式下的MIMU航姿測量系統(tǒng)測量精度進行驗證，其航姿輸出如圖6、圖7所示，車載導航試驗全過程航姿測量精度如表1所示，滿足系統(tǒng)應用要求。

4.2飛行試驗驗證

為充分驗證系統(tǒng)飛行試驗過程中的位置及姿態(tài)測量精度，對系統(tǒng)與某試驗場進行了飛行試驗考核，并依據(jù)遙測數(shù)據(jù)進行了對比分析，如圖8～圖11所示，飛行試驗過程中，無人機飛行平穩(wěn)，功能正常，飛行試驗成功，滿足系統(tǒng)應用要求。

表1　車載導航試驗全過程系統(tǒng)航姿測量精度Table 1 The attitude and head measurement precision when it in the car

圖6　組合導航模式下的航姿輸出Fig.6 The output of attitude and head when it worked on the integrated navigation mode

圖7　航姿模式下的航姿輸出Fig.7 The output of attitude and head when it worked on the AHRS mode

圖8　飛行試驗中的姿態(tài)輸出Fig.8 The output of attitude and head in flight

圖9　飛行試驗中的北向速度與北斗對比Fig.9 The north velocity in flight contrast with BD

圖10　飛行試驗中的東向速度與北斗對比Fig.10 The east velocity in flight contrast with BD

圖11　飛行試驗中的MIMU航姿系統(tǒng)航跡與北斗航跡對比Fig.11 The flight path of the MIMU AHRS in flight contrast with the track of BD

5　結(jié)論

本文采用基于雙ARM系統(tǒng)的MIMU航姿系統(tǒng)的架構(gòu)設計，實現(xiàn)了單板集成組合導航及航姿系統(tǒng)所有功能，并且進行了車載導航試驗驗證及飛行試驗考核，驗證結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以滿足用戶應用需求。

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Research and Realization of MIMU AHRS Based on Double ARM System

JI Yun-fei，KONG Ling-bing，JIANG Zhe
（Beijing Aerospace Times Optical-electronic Technology Co.，Ltd，Beijing 100094）

According to the miniaturization，low cost，integration design requirements of AHRS used in the small unmanned aerial vehicle，this paper puts forward a kind of MIMU AHRS based on the double ARM system，realized the integration of all inertial measurement，initial alignment，inertial navigation，integrated navigation，attitude and head measurement，and other functions on single board.Through the assessment of the vehicle navigation test and flight test，it indicated that the system can meet the needs of the user application.

MIMU；attitude and heading reference system（AHRS）；integrated navigation

U666.1

A

1674-5558（2016）01-01107

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.004

2015-04-17

吉云飛，男，博士，工程師，研究方向為捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)。