基于Simulink融合IMU传感器数据（附源码）

此示例说明如何使用 Simulink生成和融合 IMU 传感器数据。可以准确地对加速度计、陀螺仪和磁力计的行为进行建模，并融合它们的输出以计算方向。

1.惯性测量单元

惯性测量单元 （IMU） 是一组传感器，由测量加速度的加速度计和测量角速度的陀螺仪组成。通常，还包括一个磁力计来测量地球的磁场。这三个传感器中的每一个都产生 3 轴测量，这三个测量构成 9 轴测量。

2.姿态航向和参考系统

姿态航向和参考系统 （AHRS） 获取 9 轴传感器读数并计算设备的方向。此方向是相对于NED框架给出的，其中N是磁北方向。Simulink 中的 AHRS 模块使用间接卡尔曼滤波器结构实现此目的。

3.同步系统

打开融合 IMU 传感器数据的 Simulink 模型

 4.输入和配置

IMU 模块的输入是设备的线性加速度、角速度和相对于导航框架的方向。方向是四元数（Simulink 中的 4×1 向量）或旋转矩阵（Simulink 中的 3×3 矩阵）的形式，可将导航帧中的数量旋转到正文帧。在此模型中，角速度被简单地积分以创建方向输入。角速度以 rad/s 为单位，线性加速度以 m/s^2 为单位。由于 AHRS 只有一个与平移相关的输入（加速度计输入），因此无法区分重力和线性加速度。因此，AHRS算法假设线性加速度是一个缓慢变化的白噪声过程。这是 9 轴融合算法的常见假设。

5.真北 vs 磁北

IMU 块对话框中的磁场参数可以设置为本地磁场值。磁场值可以在NOAA网站上找到，也可以使用航空航天工具箱™中的函数找到。IMU 块对话框中的磁场值对应于面向真北的完美磁力计的读数。因此，IMU模块的方向输入相对于NED帧，其中N是真北方向。但是，AHRS滤波器会向磁北导航，这是此类滤波器的典型特征。因此，IMU 输入的方向和 AHRS 输出端的估计方向因真北和磁北之间的偏角而异。

此模拟的设置对象纬度0°和经度0°。此位置的磁场在 IMU 块中设置为 [27.5550， -2.4169， -16.0849] 微特斯拉。这个位置的赤纬大约是4.7°.

 6.模拟

模拟模型。使用四元数距离比较 AHRS 的 IMU 输入方向和估计输出方向。考虑到欧拉角奇点，与差分欧拉角等价物相比，这是更可取的。

7.估计方向

估计方向与真实方向的差异应该接近4.7°，这是此纬度和经度的赤纬。

8.陀螺仪偏置

AHRS滤波器的第二个输出是偏置校正陀螺仪读数。在IMU模块中，陀螺仪的偏置为0.0545 rad/s或3.125度/s，这应该与示波器模块中的稳态值相匹配。

9.程序

使用Matlab R2022b版本，点击打开。

 打开下面的“IMUSensorFusionWithSimulinkExample.m”文件，点击运行，就可以看到上述效果。

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