1、目錄1234引言IMU概念設計硬件實施在QUANSER平臺的2自由度測試56大型直升機的3自由度測試結論第1頁/共21頁摘要 這篇文章主要介紹了適用于無人機姿態確定的慣性測量單元（IMU）的開發。 低成本、高性能解決方案 多路復用同步采樣 姿態決定的傳感器融合算法是基于卡爾曼濾波器的 測試過程一，把IMU安裝在2自由度直升機平臺上，并把其結果與俯仰和偏航編碼器獲取的數據相比較； 測試過程二，把IMU安裝在T-REX450型直升機上實驗，實驗在運動分析實驗室中進行的 通過這些測試，表明最大的均方根誤差（RMS error）只有4第2頁/共21頁前言 許多無人機項目都有一個共同的出發點，他們都開始

2、于一個遙控裝置，然后把它轉變成一個自治平臺，他們需要面對的挑戰就是IMU的開發。因為IMU為其提供機身的傾斜和方向（至關重要） MEMS技術在慣性傳感器（加速度計和陀螺儀）中的應用使得低重量，低成本的IMU得以發展。 前人的研究已經展現了IMU的軟件和硬件的開發，作者的貢獻在于使用商業上現有的組件為UAV設計的低成本產品（IMU）。 測試實驗是在真實無人機狀態下進行的；姿態確定算法是基于卡爾曼濾波器 模塊化、抗鋸齒、低重量、快速動態響應和同步采樣是設計中主要考慮因素 硬件的執行（第三部分） 2自由度直升機平臺和一個大型直升機在運動分析實驗室中的實驗（第四和第五部分）第3頁/共21頁IMU的概念

3、設計 捷聯式（strapdown）IMU 捷聯式慣性導航是把慣性測量元件（主要是陀螺儀和加速度計）直接裝在飛行器上，用計算機把測量信號變換為導航參數的技術。捷聯式慣性導航系統的產生有賴于現代電子計算機技術的迅速發展。 捷聯式慣性導航系統工作時不依賴外界信息，不易受到干擾破壞，是一種自主式導航系統。相對于平臺式慣性導航系統，捷聯式省去了慣性平臺，系統體積和重量大為減小，維護起來也比較方便。但由于陀螺儀和加速度計直接承受飛機的振動、沖擊和角運動，因而會產生動態誤差。這就對陀螺儀和加速度計提出更高的要求。儀器測出信號后，要通過計算機的計算，才能得出所需要的導航參數。第4頁/共21頁 UAV應用的環境

4、通常代表了快速動態響應，由推進引擎而產生的振動，各方面的震蕩和6自由度同時運動，這對捷聯式IMU來說都是挑戰性的。接下來的設計會抵消這些問題并提高了IMU在復合類型UAV的表現。第5頁/共21頁A模塊性&B電壓緩沖 設備被分為兩個面板：一個傳感器面板和處理面板，這種模塊化設計允許在沒有沒有大的改變下，處理器面板搭配不同的傳感器。取決于特定UAV的類型，某些傳感器可能比另外一些表現更好。 電壓緩沖主要目的是保證傳感器面板和處理面板沒有電荷效應第6頁/共21頁C抗鋸齒濾波器&D同步采樣 在決定陀螺儀和加速度信號的主要頻率分量方面，研究人員進行了研究，雖然抗鋸齒總是重要的，但結果表明

5、，在避免姿態確定中的高振動干擾方面，濾波也是信號調節的一個重要部分。 低成本IMU典型采用多路復用采樣 導致正交性的丟失和因此帶來失調的結果 本設計理念是每個獲取通道都使用ADC來實施同步采樣，同時微處理器負責ADC的同步和數據通信。這要求ADC微控制系統能夠在下一次同步獲取值之前處理所有的數據。第7頁/共21頁E微控制器&F無線通信 如果姿態確定算法由地面計算機來處理，那么微控制器只需要負責同步采樣和無線通信的協調。如果姿態估計是機載處理情況下，微控制器會接受到更多的處理任務。 PARALLAX公司的Propeller微控制器，具有8核（稱之為cog），這些cogs對同步處理來說是一

6、大優勢 我們測試了Xbee和藍牙通信系統。經驗表明Xbee在達到一定傳輸速率的門檻之后會丟包而藍牙則不會，然而，就距離來說。Xbee有更好的表現，當然，最合適的方法取決于無人機的類型第8頁/共21頁硬件實施處理器面板第9頁/共21頁傳感器面板T1 120/sec 1.5gT2 500/sec6g第10頁/共21頁傳感器校準放大系數電壓偏差第11頁/共21頁均方根誤差最優化第12頁/共21頁第一代原型的重量 這個原型的重量只有120g 下一代將少于40g，使用表面貼裝組件(surface mounted components，SMC)會使其物理尺寸減少70%第13頁/共21頁Quanser平臺2自由度的測試第14頁/共21頁第15頁/共21頁第16頁/共21頁大型直升機的3自由度測試第17頁/共21頁第18頁/共21頁結論 這篇文章主要展現了為UAV應用設計的低成本IMU 設計思想基于模塊化、抗鋸齒處理、低重量、同步采樣（以避免慣性測量的正交性丟失）IMU在姿態確定中的表現通過兩個實驗驗證：（一）與2自由度直升機平臺編碼器測量結果對比（二）與運動分析實驗室中紅外攝探頭測量結果對