基于ARM与MEMS的AHRS设计
4传感器校准
4.1 陀螺仪温度补偿
低成本MEMS陀螺仪存在着较大的零点偏移，一般可以达到1~3 °/s。可以通过增加扩展卡尔曼滤波的状态变量的维数，即增加三维陀螺零偏做数据融合得以解决。优点是可以动态地估计陀螺的零偏，有较强的适应能力，缺点是卡尔曼滤波算法的计算量以维数的三次方增加，因此实时性会有所降低，在要求姿态更新速率高而单片机计算性能有限的情况下，可以采用温度补偿的方法解决。陀螺仪的零点偏移与传感器温度和温度梯度密切相关。MPU6000陀螺仪温度变化缓慢的情况下，可以认为其温度零点漂移对应此时传感器的温度。
可设温漂曲线为三次多项式BX=At3+Bt2+Ct1+D，通过最小二乘法拟合之后可得到各项系数。经过温度补偿后的陀螺仪曲线如图3所示。
图3 静止时减去温漂后的角速率曲线
4.2 硬磁及非正交度校正
地磁场正常情况下测量到的三维数据在空间上的包络应该是一个标准的圆球。但是磁场计测量出来的数据由于受到外界磁场的影响，加上磁阻传感器各轴的标度因子和非正交度，导致传感器采集到的数据在三维空间内分布的包络面为球心偏移原点的椭球面，磁场裸数据三维分布如图4所示。
图4 磁场裸数据三维分布
椭球面约束方程如式(15)所示。
其中m为传感器测得的三维磁场强度，c为球心偏移的三维向量，U为标度因子及非正交度校矩阵。磁场强度没有实际意义，关心的是传感器测量的地磁三维矢量方向，所以设磁场向量模为1。通过最小二乘法可以计算出U和c。磁场数据校正前后对比如图5所示，左右两图为校正前后数据在XY平面上的投影。
图5 磁场数据校正前后对比
5 实验结果
AHRS放置在与1024线光栅编码器固连的转动平台上，测试俯仰姿态角的测量精度及跟踪性能，AHRS与编码器测量曲线对比如图6所示。
图6 AHRS与编码器测量曲线对比
图中实线为AHRS的测量值，点划线为编码器的测量值。当测试平台以幅度约±10°的幅度摆动时。AHRS与编码器测量数据相比在时间上滞后最大不超过5 ms，峰峰值相差不超过03°。
结语
基于四元数扩展卡尔曼滤波算法的AHRS具有更新速率高、实时性好、价格低廉的特点，能够广泛应用于手机、平板电脑等消费类电子产品， 也能满足一些机器人对姿态控制的测量需求。
- 基于ARM与MEMS器件的微惯性测量装置设计(05-04)
- 对嵌入式处理技术发展远景的设想(09-11)
- 基于多MEMS传感器的姿态测量系统(10-21)
- 基于AT89S52的MEMS陀螺信号采集与处理系统设计(10-09)
- 基于SoC的高精度倾角测量系统的设计(11-12)
- EP7212处理器的LCD控制及触摸屏接口设计(10-25)