整合GPS/INS的姿態判定演算法

Integrated GPS/INS Attitude Determination Algorithms

黃以民(Yi-Min Huang)

指導教授 ： 張帆人

共同指導教授 ： 王立昇(Li-Sheng Wang)

國立臺灣大學/電機資訊學院/電機工程學研究所/碩士(2004年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2004.01670

摘要

姿態判定在載具的運動中是很重要的，本文討論的主題就是從陀螺儀以及GPS所提供的資訊做姿態的判定。陀螺儀量到的角速度能藉由姿態運動方程式求得表示姿態的單位四元數；GPS的載波相位二次差分模型則能利用QUE-ST的方法求得四元數，之後再利用濾波器將兩者做一結合，以得到更準確的估測。
由於在姿態判定中所使用的狀態方程式為非線性，所以一般會選用延伸型卡門濾波器來整合資訊，但姿態四元數有單範的限制條件，這會造成卡門濾波器中的協方差矩陣奇異性問題，因而導致演算過程無法收斂。在本文中，將利用修正式延伸型卡門濾波器解決此問題。修正式延伸型卡門濾波器的概念是以
四元數的運算，並利用小角度的假設，減少協方差矩陣的維數，因而避開奇異性的問題
除了修正式延伸型卡門濾波器之外，本文尚利用了球型線性內插法的觀念來做濾波。球型線性內插法的優點有計算量較小且能得到與卡門濾波器相若的效能；但是由於它無法提供陀螺儀偏置值的資訊，因此在使用上有任務時間的限制，此為其缺點。所以在選擇濾波器的時候，必須在計算量、任務時間長短以及陀螺儀偏置值標準差的大小做一衡量，選擇最適合當時情況的演算法。

關鍵字

卡門濾波器 ； 姿態判定 ； 球型線性內差 ； 四元數

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無資料

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quaternion ； attitude determination ； QUEST ； SLERP ； Kalman filter

參考文獻

[3]E. J. Lefferts, F. L. Markeylry, and M. D. Shuster. ‘‘Kalman filtering for spacecraft attitude estimation.’’ Journal of Guidance, Control and Dymanics, 5(5):417-429, September-October 1982.

[7]M. D. Shuster, and S. D. Oh. Three-axis attitude determination from vectorobservations. Journal of Guidance, Control and Dymanics, 4(1):70-77, Janu-ary-February 1981.

參 考 文 獻

[1]Alan Watt, and Mark Watt. 'Advanced animation and rendering techniques：theory and practice,' New York, N.Y.：ACM Press, 1992.

[2]Arthur Gelb. 'Applied optimal estimation,'Cambridge, Massachusetts：M.I.T. Press, 1974.