针对上述计算误差，本课题设计了一个以MPU6050（内部集成三轴陀螺仪，三轴加速计）为测量单元，ARM微处理器LPC1114为姿态解算核心的载体姿态检测系统。由于陀螺仪与加速度计的局限性，无法根据测得的数据准确计算出载体的航向角，所以本文主要考虑载体俯仰角和横滚角的解算。具体实现为：单片机通过I2C接口读取MPU6050测量单元的测量数据（包括载体运动时的加速度三轴分量和绕三轴旋转的角速度）；对测量数据进行预处理后，利用互补滤波或Kalman滤波进行数据融合，从而消除姿态解算时出现的高频噪声（加速度计引起）和数据漂移（陀螺仪引起），提高姿态角的测量精度；同时为了能够使设计的姿态检测系统模块化，我们引入了无线数据传输模块，从而实现单片机与PC之间姿态角数据的无线传输，提高了系统的实用性。文章最后对设计的姿态检测系统进行测试，包括测量数据分析，各种滤波方法的效果对比以及测量范围和精度的测算等。

2 姿态检测系统的原理介绍

    为了确定任意时刻的载体姿态，首先要利用三轴加速计和三轴陀螺仪来测得载体运动时产生的加速度和角速度。接下来要做的就是根据这些数据解算出载体的姿态即求解出载体在相对坐标系下的俯仰角和横滚角等，我也会在接下来简单介绍几种常用的姿态解算方法。本章的主要内容是介绍姿态解算中的坐标系及坐标变换，姿态角的表示，姿态角的解算方法如欧拉角法，四元数法等，并对这些算法的优劣进行对比分析。本章最后还简单介绍了加速度计和陀螺仪的测量原理。

2。1 载体姿态表示

2。1。1 常用坐标系

在惯性导航系统中，为了确定载体运动的位移，加速度，角速度的大小和方向等信息，就要构建合适的坐标系。本节将介绍几种惯导系统中常用的坐标系[6]及它们的三个坐标轴的方向定义。

   （1）地心惯性坐标系（i 系）——

地心惯性坐标系（i系）的建立满足牛顿运动定律。众所周知，物体的运动是绝对的，静止是相对的，因此不存在绝对静止的惯性坐标系，只能依据系统需求人为选取合适的坐标系。地心是地球上唯一不随地球自转的点，如果以地心为原点建立坐标系就可以满足地球上的物体的定位需求。通常规定沿南北极轴线并指向北极的方向为轴，轴和地球沿赤道的切面平行，构成右手坐标系。

   （2）导航坐标系（n 系）——

导航坐标系的建立，是以载体在导航过程中所要完成的任务，所处环境和一些自身需求为基准的。

   （3）载体坐标系（b 系）——

载体坐标系的建立，是以载体重心为原点，平行于载体横切面并指向其右侧的方向为轴，平行于载体纵切面并指向其前侧的方向为轴，垂直于载体横切面且竖直向上的方向为轴，如图2。1所示。也是右手系。我们可以用载体坐标系相对于地理坐标系（东北天坐标系）的坐标变换矩阵来确定载体当前的姿态。

图2。1 载体坐标系

   （4）地理坐标系（t 系）——

地理坐标系（t系）是确定载体姿态时最常用的坐标系。我们一般取载体的重心为原点，坐标系的一轴与地理垂线重合。地理坐标系坐标轴的选取有很多种，如北西天、东北天、北东地等，根据实际需求而定，本文采用的是东北天坐标系。垂直于水平面向上的方向为轴、磁北极方向为轴和水平东的方向为轴，符合右手定律的坐标系。

2。1。2 坐标变换

    我们可以用坐标变换矩阵来表示不同空间坐标系之间的相对位置关系。假设坐标系围绕轴旋转角可以变换为坐标系，一空间矢量在内的投影为，在内的投影为，要求推导出两坐标系之间的位置关系[7]。显然，轴作为旋转轴，它所对应的轴坐标应当保持不变，即有，图 2。2 为两坐标系的位置关系图。论文网 MPU6050的ARM单片机的载体姿态检测系统设计(3):http://www.youerw.com/zidonghua/lunwen_88172.html