一种稳定平台中陀螺漂移滤波算法的设计与实现

陀螺仪卡尔曼滤波算法1. 引言陀螺仪是一种用于测量角速度的传感器，广泛应用于惯性导航、无人机控制、姿态估计等领域。

然而，由于传感器噪声和误差的存在，陀螺仪输出的数据往往不够稳定和准确。

为了解决这个问题，人们提出了许多滤波算法，其中最常用且效果良好的就是卡尔曼滤波算法。

本文将介绍陀螺仪卡尔曼滤波算法的原理、实现过程以及应用场景，并对其优缺点进行讨论。

2. 陀螺仪陀螺仪是一种基于角动量守恒原理工作的传感器。

它通常由一个旋转部件和一个测量部件组成。

旋转部件可以是一个旋转的轴或者一个旋转的盘片，当外界施加力矩时，旋转部件会发生相应的转动。

测量部件通过测量旋转部件的角速度来获取外界施加力矩的信息。

陀螺仪输出的数据通常是角速度，单位为弧度/秒。

然而，由于制造工艺和环境因素的限制，陀螺仪的输出往往存在噪声和误差。

这些噪声和误差会对应用场景中的姿态估计、运动控制等任务产生不利影响。

3. 卡尔曼滤波算法卡尔曼滤波算法是一种递归滤波算法，通过利用系统模型和观测数据，对状态进行估计和预测。

它在估计过程中综合考虑了系统模型的预测值和观测数据的测量值，并通过最小均方误差准则来优化估计结果。

陀螺仪卡尔曼滤波算法主要包括以下几个步骤：3.1 状态空间模型首先，需要建立一个状态空间模型来描述陀螺仪系统。

状态空间模型通常由状态方程和观测方程组成。

状态方程描述了系统的演化规律，可以表示为：x(k) = F * x(k-1) + B * u(k-1) + w(k-1)其中，x(k)表示时刻k的系统状态，F是状态转移矩阵，B是控制输入矩阵，u(k)是控制输入，w(k)是过程噪声。

观测方程描述了系统的输出与状态之间的关系，可以表示为：z(k) = H * x(k) + v(k)其中，z(k)表示时刻k的观测值，H是观测矩阵，v(k)是观测噪声。

3.2 初始化在开始滤波之前，需要对滤波器进行初始化。

通常情况下，可以将初始状态和协方差矩阵设置为零向量和单位矩阵。

一种陀螺稳定平台瞄准线漂移的惯性补偿方法薛媛元;陈文建;康婷颋;陈颖;张夏疆;杨远成【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2016(037)002【摘要】针对陀螺稳定平台系统中地球自转引起的瞄准线漂移问题,提出一种基于惯性姿态信息的瞄准线漂移补偿方法.该方法根据惯导系统解算得出的平台地理坐标和姿态信息计算出地球自转角速率在光电稳定平台坐标系上的投影,稳瞄控制单元利用该投影信息自动补偿平台上的速度反馈数据,消除由地球自转造成的瞄准线漂移.试验结果显示,使用该补偿方法后的方位漂移及俯仰漂移分别是1.69 mrad/h 和1.84 mrad/h,远小于不加该补偿方法时的方位漂移6.89 mrad/h及俯仰漂移7.32 mrad/h,证明该方法可有效补偿瞄准线漂移.【总页数】6页(P177-182)【作者】薛媛元;陈文建;康婷颋;陈颖;张夏疆;杨远成【作者单位】西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TN206;TP273【相关文献】1.一种扩散硅压力传感器温度补偿方法——漂移电流源外补偿法 [J], 孟令昆;曹兆臣2.一种新颖的瞄准线高精度稳定补偿方法研究 [J], 王惠林;纪明;齐华3.机载光电观瞄系统的瞄准线指向线性运动补偿方法 [J], 闫明;刘栋;王惠林;边赟;刘国栋;高贤娟4.惯性导航系统中陀螺漂移率的复合补偿方法 [J], 滕云鹤5.惯性导航系统陀螺仪斜坡漂移的估计及补偿方法探讨 [J], 蔡开仕;庄良杰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

六轴陀螺仪融合算法和滤波算法六轴陀螺仪是一种高精度的传感器，它可以实时测量物体的角速度和角位移，因此在许多应用领域都有广泛的应用。

然而，由于六轴陀螺仪会受到一些外界因素的干扰，因此需要进行融合算法和滤波算法的处理，以提高陀螺仪的精度和稳定性。

下面我们就来看一看六轴陀螺仪融合算法和滤波算法的实现方法。

1. 融合算法六轴陀螺仪同时测量了角速度和角位移，但是这两个参数的测量精度有所不同。

由于角速度的变化速度很快，陀螺仪测量的精度比较高，但角位移的计算则要通过积分来实现，误差积累较快，因此精度较低。

因此，我们需要采用一种融合算法来实现精度更高的角位移测量。

常用的融合算法有卡尔曼滤波算法和姿态解算算法。

1.1 卡尔曼滤波算法卡尔曼滤波算法是一种递归滤波算法，它利用系统的状态和误差的协方差矩阵来计算状态的最优估计值和估计误差。

在六轴陀螺仪中，可以利用卡尔曼滤波算法来对角位移进行融合处理。

具体的实现步骤如下：1. 首先初始化系统的状态和误差矩阵；2. 然后利用六轴陀螺仪的角速度测量值来预测下一时刻的状态值和误差矩阵；3. 接着利用加速度计等其他传感器的数据来进一步校正状态值和误差矩阵，完成融合计算。

利用卡尔曼滤波算法可以实现比较精确的角位移测量，但计算复杂度较高，要求系统能够实时处理大量的数据。

1.2 姿态解算算法姿态解算算法是一种基于向量旋转的解算方法，可以把六轴陀螺仪、加速度计等传感器的测量值转换成实体在空间中的姿态角。

姿态解算算法主要包括基于欧拉角的算法和基于四元数的算法。

其中，基于四元数的算法由于精度高、抗干扰性能好等优点，被广泛应用于飞行器、机器人、遥控设备等领域。

姿态解算算法的实现步骤如下：1. 计算六轴陀螺仪的角速度；2. 利用欧拉公式或四元数公式将角速度转换成旋转矢量；3. 利用加速度计等其他传感器的数据确定重力矢量；4. 利用旋转矢量和重力矢量计算实体在空间中的姿态角。

姿态解算算法的优点是计算速度快、可靠性高，但缺点是对噪声抗干扰能力较弱，需要加入滤波算法进行处理。

一种陀螺稳定平台的设计与实现作者：姚兆李久超朴慧京来源：《科技资讯》2016年第33期摘要：陀螺稳定平台，也称为惯性平台或者陀螺平台，简而言之，就是通过对陀螺仪特性的利用，来保证平台台体方位稳定的一种装置。

陀螺稳定平台主要用于对运动载体姿态进行测量或者对载体上的部分设备起稳定作用，无论航天器、舰船、飞机或者导弹，都离不开对陀螺稳定平台的运用。

该文就在陀螺稳定平台的基础上，研究设计了性价比相对较高的一种陀螺稳定平台，即低空遥感小型三轴陀螺稳定平台，这种平台不仅精度高、稳定性强，而且成本相对较低，非常适用于测绘领域。

关键词：低空遥感三轴陀螺稳定平台设计中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（c）-0018-02随着科学技术的不断发展，无人机低空遥感系统不再局限于对影像图制作的实现，也逐步进军摄影测量立体测图专用领域。

因为飞机航拍时难免受到杂散气流和机体自身震动的影响，所以其有效载荷的姿态稳定性会受到影响，甚至出现航拍漏洞等严重问题，但是，如果将小型三轴陀螺稳定平台运用其中，就会显著提高无人机有效载荷的姿态精度，因此，笔者意在设计一种以三轴铝合金为平台的低空遥感小型三轴陀螺稳定平台，以满足小区域大比例尺地形的立体测绘工作需求。

1 国内外相关技术的研究现状阐述1.1 国外相关技术的研究现状针对如何加强无人机有效载荷的稳定性控制，国外目前主要存在两种方式。

第一种是运用独立的稳定平台。

这种方式的优点在于计算相对简单、精度较高，且反应较快，缺点也同样明显，即价格昂贵、结构复杂、体积过大，并且补偿范围相对较小，因此，这种独立的稳定平台只能应用到大型的军用高端无人机，例如美国的捕食者无人机和以色列的侦察兵无人机。

第二种是采用捷联方式。

这种方式与第一种的优缺点恰恰相反，捷联方式的优点在于价格便宜、结构简单、体积较小，且补偿范围相对较大，缺点则是可靠性和精度相对较低，因此，这种方式更适用于小型低空遥感无人机。

光电稳定平台中陀螺随机漂移的处理方法
朱华征;周晓尧;张文博;范大鹏
【期刊名称】《中国惯性技术学报》
【年(卷),期】2009(17)2
【摘要】在详细分析陀螺随机漂移对光电稳定平台精度影响的基础上,提出了Allan方差与功率谱相结合的分析和评价标准,采用了时间序列分析法进行建模.针对光电稳定平台不同的应用环境,分别比较了陀螺随机漂移的处理方法.实验证明,前向线性滤波在中高频段的噪声滤除方面,要优于低通滤波器;同时在保留低频段的有用信号和了解噪声特性方面,要优于卡尔曼滤波:而且在实时的在线应用方面,要优于小波滤波.结果表明:前向线性滤波适合于高带宽光电稳定平台系统的实时在线应用.【总页数】6页(P225-230)
【作者】朱华征;周晓尧;张文博;范大鹏
【作者单位】国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙,410073;国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙,410073;国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙,410073;国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙,410073
【正文语种】中文
【中图分类】U666.1
【相关文献】
1.非平稳时间序列的陀螺随机漂移数据处理方法 [J], 谢聂;朱家海;胡炜涛
2.光电平台中微型挠性陀螺组件的改进与实现 [J], 王平;杨静;倪丽莎;张广鹏
3.光纤陀螺在机载光电稳定平台中的应用 [J], 余珊珊;夏军
4.光电稳定跟踪平台中微机电陀螺滤波方法研究 [J], 张文博;李凯;朱尤攀;范大鹏
5.光电陀螺稳定平台中的分数阶伪微分反馈控制 [J], 丁策;尹传力;汪永阳
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专利名称：一种解决陀螺仪漂移的方法专利类型：发明专利
发明人：付炜
申请号：CN201910275379.X
申请日：20190408
公开号：CN109945848A
公开日：
20190628
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明适用于陀螺仪漂移技术领域，包括系统模块，传感器集线器模块，陀螺仪模块，加速度模块；通过传感器集线器模块分别采集陀螺仪模块输出的第一数据和加速度模块输出的第二数据，对第一数据和第二数据进行算法融合成第三数据，并缓存最近获得的16个第三数据，对最近获得的16个第三数据进行排序，取中间值的小数点后九位，对中间值作二进制的整型转换；并设定精度值，精度值为将中间值作二进制的整型转换后最少输出的数字位数；在将中间值作二进制的整型转换后乘以精度值再除以精度值，并保留七位有效数字，最后将保留的七位有效数字上报给系统模块；从而解决陀螺仪漂移的问题，进而提高了用户体验。

申请人：深圳市智微智能科技开发有限公司
地址：518000 广东省深圳市福田区车公庙泰然九路海松大厦B-1303
国籍：CN
代理机构：深圳市科冠知识产权代理有限公司
代理人：王海骏
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稳定跟踪平台陀螺噪声及滤波去噪方法
刘少轩;马琰;吴旭光;张勇辉
【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》
【年(卷),期】2013(000)003
【摘要】在机载稳定跟踪平台中对内框架速率稳定回路进行机理分析并建立数学模型，分析了陀螺的输出噪声对平台系统的影响，结果显示陀螺噪声会引起稳定平台输出轴的抖动和角度漂移并对平台系统的稳定精度与跟踪精度都有很大影响。

分析了陀螺噪声数据及基于卡尔曼滤波的去噪算法并分析滤噪效果，结果表明卡尔曼滤波效果明显，是理想的陀螺噪声滤波器。

【总页数】5页(P62-66)
【作者】刘少轩;马琰;吴旭光;张勇辉
【作者单位】西北工业大学航海学院，西安710072;西北工业大学航海学院，西安710072;西北工业大学航海学院，西安710072;西北工业大学航海学院，西安710072
【正文语种】中文
【中图分类】V241.5
【相关文献】
1.陀螺稳定平台扰动的自抗扰及其滤波控制 [J], 丛爽;孙光立;邓科;尚伟伟;沈宏海
2.陀螺稳定跟踪平台的滑模摩擦补偿双环控制研究 [J], 陈殿生;李鹏;陈彧欣;王田苗
3.光电稳定跟踪平台中微机电陀螺滤波方法研究 [J], 张文博;李凯;朱尤攀;范大鹏
4.自适应强跟踪卡尔曼滤波在陀螺稳定平台中的应用 [J], 宋康宁;丛爽;邓科;尚伟伟;孔德杰;沈宏海
5.一种稳定平台中陀螺漂移滤波算法的设计与实现 [J], 王小英;林志;连军政
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摄像稳定平台的陀螺自适应滤波器设计
王玉辉
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2014(31)9
【摘要】稳定平台是指能够使被稳定对象在外来干扰作用下相对惯性空间保持方位不变的装置.因敏感惯性器件——微机电陀螺MEMS存在着随机漂移,给测量带来误差.传统的Sage-Husa滤波算法虽可以提高测量精度,但每次都要计算系统噪声和量测噪声方差,实时性较差.为避免上述问题,将Sage-Husa滤波算法进行了改进和简化,根据滤波状态决定是否需要重新估计量测噪声方差.通过仿真结果和数据对比表明,改进算法可行并有效,能够确保在精度相近的情况下减小计算量,为摄像平台及稳像平台优化设计提供了依据.
【总页数】5页(P277-281)
【作者】王玉辉
【作者单位】青岛理工大学,山东青岛266033
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.陀螺稳定平台视轴稳定系统自适应模糊PID控制 [J], 姬伟;李奇
2.基于陀螺稳定的车载影视摄像平台研究 [J], 朱娜;高强;林飞鹏
3.自适应强跟踪卡尔曼滤波在陀螺稳定平台中的应用 [J], 宋康宁;丛爽;邓科;尚伟
伟;孔德杰;沈宏海
4.一种陀螺稳定平台自适应模糊-PID复合控制方法 [J], 朱倚娴;陆源;许江宁;程向红
5.陀螺稳定摄像平台 [J], 时叁
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