姿態航向參考係統（AHRS）

文章出處：新聞資訊責任編輯：开云体育网页登录發表時間：2024-11-06 17:32:13

姿態和航向參考係統 (AHRS) 使用由微機電係統 (MEMS) 慣性傳(chuan) 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。然後可以使用這些測量結果來估計物體(ti) 的姿態。

係統貢獻

AHRS 通常包括 3 軸陀螺儀(yi) 、3 軸加速度計和 3 軸磁力計，以確定係統方向的估計。這些傳(chuan) 感器中的每一個(ge) 都為(wei) 組合係統提供不同的測量結果，並且每個(ge) 傳(chuan) 感器都表現出獨特的局限性。

陀螺儀

陀螺儀(yi) 為(wei) AHRS 提供係統角速率的測量結果。然後對這些角速率測量值進行積分以確定係統姿態的估計。然而，為(wei) 了確定當前姿態，還必須知道係統的初始姿態。隨著時間的推移，由於(yu) 陀螺儀(yi) 本身固有的噪聲和偏置特性，計算出的姿態會(hui) 無限地偏離係統的真實姿態。

加速度計

加速度計為(wei) AHRS 提供係統加速度的測量值，並假定僅(jin) 測量重力。這種假設允許加速度計從(cong) 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(hui) 導致俯仰角和滾動角的計算出現誤差。此外，由於(yu) 假定加速度計僅(jin) 測量重力，因此任何添加的動態運動也會(hui) 導致係統俯仰和橫滾的計算出現錯誤。

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

由於(yu) 加速度計隻能測量俯仰和橫滾，因此磁力計通過將係統周圍磁場的測量值與(yu) 地球磁場的測量值進行比較，為(wei) AHRS 提供偏航測量值，就像傳(chuan) 統的磁羅盤一樣。在大多數 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，但使用磁力計準確估計航向實際上非常具有挑戰性。地球磁場很弱，因此大型金屬結構、高功率電纜或任何其他磁幹擾都會(hui) 扭曲地球磁場並導致估計航向角出現誤差。由 AHRS 固定的物體(ti) （例如車輛）引起的幹擾可以使用稱為(wei) 硬鐵和軟鐵 (HSI) 校準的校準進行補償(chang) ，但前提是這些幹擾不隨時間變化。先進的濾波技術可用於(yu) 減輕環境中外部幹擾的影響，但其有效性因製造商和應用而異。

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

係統融合

在 AHRS 中，陀螺儀(yi) 、加速度計和磁力計的測量結果結合在一起，通常使用卡爾曼濾波器來提供係統方向的估計。考慮到每個(ge) 傳(chuan) 感器的假設，該估計技術使用這些原始測量值來得出姿態的優(you) 化估計。除了姿態之外，卡爾曼濾波器還估計陀螺儀(yi) 偏差或陀螺儀(yi) 的漂移誤差。然後，陀螺儀(yi) 偏置可用於(yu) 補償(chang) 原始陀螺儀(yi) 測量結果，並有助於(yu) 防止陀螺儀(yi) 隨時間的漂移。通過將每個(ge) 傳(chuan) 感器的數據組合到卡爾曼濾波器中，可以獲得係統的無漂移、高速定向解決(jue) 方案。

AHRS 組件圖

圖：1.16 AHRS 組件圖

AHRS 的挑戰

雖然陀螺儀(yi) 、加速度計和磁力計本身麵臨(lin) 的許多限製可以通過將它們(men) 組合在一起來緩解，但使用 AHRS 仍然存在一些挑戰，可能會(hui) 導致係統姿態估計出現錯誤。這些挑戰包括加速度計和磁力計上的瞬態和交流幹擾、持續動態加速度以及內(nei) 部和外部磁幹擾。

瞬態或振蕩幹擾

通過這些時間常數進行適當的調諧和依賴集成陀螺儀(yi) ，幾乎可以完全減輕在短時間內(nei) 引起加速度或磁擾的任何類型的瞬態或交流擾動。對於(yu) 工業(ye) 級傳(chuan) 感器，“短”時間段對應於(yu) 大約 <1 秒的持續時間，或振蕩速度快於(yu) 1 Hz，較高等級的傳(chuan) 感器能夠濾除較長的時間常數，反之亦然。

持續加速

持續的動態加速度可能會(hui) 導致俯仰角和側(ce) 傾(qing) 角的估計出現問題，因為(wei) 加速度計單獨測量重力的假設不斷被違反。對於(yu) AHRS 來說，最常見的情況是飛機在傾(qing) 斜轉彎時出現嚴(yan) 重問題。當這種情況發生時，加速度計測量重力加上由於(yu) 沿彎曲路徑行進產(chan) 生的向心力而產(chan) 生的長期加速度。這會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 垂直於(yu) 飛機機翼的測量矢量，並導致 AHRS 估計滾轉角為(wei) 零，而飛機實際上處於(yu) 傾(qing) 斜轉彎，因此相對於(yu) 地平線具有顯著的滾轉角，如圖所示1.17。

協調轉彎中測得的加速度

圖：1.17 協調轉彎中測得的加速度

持續的動態加速度也可能是由係統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(hui) 導致估計係統俯仰角的問題。不幸的是，在持續動態加速期間，陀螺儀(yi) 不能用於(yu) 承受運動，因為(wei) 其固有的漂移意味著它在較長時間內(nei) 不可信。

最後，彈道飛行、自由落體(ti) 或軌道動力學使加速度計測量為(wei) 零，從(cong) 而無法向 AHRS 濾波器提供有關(guan) 傳(chuan) 感器方向的信息。這對於(yu) 彈道飛行來說尤其成問題，因為(wei) AHRS 可能會(hui) 混淆風阻和重力。

如果 AHRS 接收係統的實時速度測量值，則可以在姿態估計中估計和補償(chang) 持續動態加速度。

磁幹擾

係統內(nei) 部或外部的磁幹擾也會(hui) 給 AHRS 帶來問題，並導致磁力計測量偏置和扭曲的磁場。內(nei) 部磁幹擾是 AHRS 牢固連接的係統的磁特征造成的。它們(men) 可以是非可變幹擾，例如鋼板，也可以是可變幹擾，例如電機或多旋翼。外部磁幹擾是由係統周圍環境中的任何物體(ti) 引起的，例如電池、電子產(chan) 品、汽車、混凝土中的鋼筋和其他含鐵材料。這些磁幹擾導致磁力計測量誤差增加，從(cong) 而導致航向角估計誤差。為(wei) 了解決(jue) 係統內(nei) 部任何不變的磁幹擾，可以在係統上執行硬鐵和軟鐵 (HSI) 校準。

“無漂移”解決方案中的漂移

由於(yu) 傳(chuan) 感器偏差或違反各自的操作假設，加速度計和磁力計姿態解決(jue) 方案中存在的誤差在較長時間內(nei) 在 AHRS 解決(jue) 方案中無法避免。事實上，這些錯誤可能會(hui) 導致 AHRS 的“無漂移”姿態解決(jue) 方案出現有限漂移。

通過靜態-動態-靜態測試可以揭示這一點的一個(ge) 簡單說明。該測試分為(wei) 三個(ge) 部分，其中係統在測試的第一部分中處於(yu) 靜止狀態，在短暫的第二部分中經曆動態運動，最後在測試的第三部分中返回到靜止狀態。在靜止期間，係統的姿態最終來自（可能是錯誤的）加速度計和磁力計測量。然而，在簡短的動態部分，陀螺儀(yi) 測量主導 AHRS 響應。

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

靜-動-靜響應

圖：1.18 靜-動-靜響應

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彎，陀螺儀(yi) 就會(hui) 準確地跟蹤航向的變化，即使初始航向是錯誤的。轉彎完成後，車輛返回靜止狀態。隨著時間的推移，即使對於(yu) 經過良好調整的 AHRS，磁力計也會(hui) 在陀螺儀(yi) 中發揮自身的作用，因為(wei) 陀螺儀(yi) 中可能存在的漂移會(hui) 阻止 AHRS 繼續信任其集成解決(jue) 方案。由於(yu) 磁力計仍然受到車輛磁特征的影響，因此 AHRS 報告的航向會(hui) 發生漂移，直到它穩定在磁力計報告的新（仍然錯誤）航向中。