應用互補濾波器於慣性感測之運動與姿態角估算

Motion and Attitude Estimation Using Inertial Measurements with Complementary Filter

徐嘉偉(Jia-Wei Shiu)

指導教授 ： 曾百由

國立臺北科技大學/機電學院/機電整合研究所/碩士(2010年)

https://doi.org/10.6841/NTUT.2010.00267

摘要

本研究運用互補濾波器結合慣性感測元件內的加速規、磁通量計與陀螺儀的狀態量測估算出承載平台的運動及姿態角與方位角。利用加速規與磁通量計之低頻特性以及陀螺儀的高頻特性，透過互補濾波器整合訊號以達到最佳的估算效果。透過系統鑑別的方式求出感測器的頻率響應及轉移函式，並依據感測器的特性訂定截止頻率設計出互補濾波器的訊號處理架構。在實驗部分，則利用旋轉平台與線性運動平台等實驗器材來驅動慣性感測器取得不同運動狀態之慣性量測值，透過互補濾波器的融合運算功能得到低雜訊與高穩定性的姿態角，驗證所發展的互補濾波器在計算慣性姿態角的效果與可行性。
在旋轉實驗方面，透過互補濾波器的估算能夠將其輸出響應降低至±0.5 dB以內。在雙軸旋轉實驗方面，互補濾波器的Pitch角估算誤差皆低於1°，而Roll角之標準差皆低於0.2。在步階旋轉實驗結果可以得知，由互補濾波器之結果，其安定時間小於1秒，穩態誤差控制在±0.5°。由這些實驗結果可以得知互補濾波器架構在純旋轉運動下，能夠估算出精確且穩定的姿態角，而在非力平衡之實驗結果也可以證實互補濾波器架構能夠降低外在加速度的干擾，得到較佳姿態角結果。

關鍵字

互補濾波器 ； 狀態估測器 ； 慣性量測 ； 姿態角

並列摘要

This research uses inertial measurement unit (IMU) to estimate attitude and heading angle. First, we use system identification of inertial sensor to get transfer function of sensor. We use transfer function to design adapted filter. Use accelerometer and magnetic sensor character that are low frequency character and gyro that is high frequency character, through Adaptive Complement Filter (ACF) to fuse difference character data. In experiment, we use AC servo motor, rotate table and ball screw to drive IMU, and get measurement data. We use these data and ACF to estimate attitudes.
We use experiment to verify performance that estimates attitude of complement filter, and verify that is useful.

並列關鍵字

Complementary filter ； State estimator ； Inertial Measurement Uni ； Attitudes

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