一、课题研究目的及意义

利用IMU模块进行姿态估计的方法广泛应用于惯性导航，例如，无人机，航天器，水下作业导航，无人驾驶技术，智能机器人等等。姿态估计作为惯性导航技术的核心技术之一，尤其在水下这类复杂多变极端恶劣的环境，使用姿态检测的导航技术能发挥其精度高，误差小的优势。探测器的姿态信息是工作人员需要获取的关键信息之一，它的精度决定了作业的准确性，是测量结果是否有效的重要因素。其基本原理是：探测器系统采集加速度计和陀螺仪的数据，并估算出物体的姿态，位置等信息。但加速度计不能提供水平方向的角度变化信息，不能精确修复陀螺仪漂移引起的水平方向的误差。所以，可在原有的陀螺仪和加速度计的基础上，再加入磁传感器修正水平偏航角，从而获得了的水平偏航角的精确性。但磁传感器较易受周围磁场大小的影响，所以研究的关键就在于通过合适的滤波算法，从而达到更精准，误差最小的要求。与姿态识别问题相区别的是，姿态估计获得的是一个高维度的向量，而不是某个类别的类标。因此这一类方法需要研究的是一个从多维度观测向量到多维姿态向量间相对应的映射，现阶段，这在机器学习领域中还是一个非常困难的问题。 IMU（惯性测量单元）是安装在运载体上的惯性测量系统，它有很强的独立性，不依赖外界环境，能迅速而精确地测量位置，方向等各项参数，极大的提高了的作业效率。基于IMU的姿态估计技术在惯性导航，机器人视觉和VR（虚拟现实）等很多领域都有应用。

二、国内外发展现状

姿态估计方法始于牛顿对高速旋体的力学研宄，牛顿的经典力学为惯性测量技术姿态估计的发展奠定了理论基础。1850年，法国物理学家莱昂#183;傅科（J.Foucault）首先发现高速转动中的转子因为惯性的作用，它的旋转轴一直指向某一固定方向，他用希腊字 gyro和skopein两字合为gyroscope命名这种仪器，这就是我们所熟知的陀螺仪。早期的陀螺仪精度不高，多应用于航海导航。19世纪70年代，美国Honeywell和rockwell研制出静电陀螺仪，它的精确度很高,能够满足更高要求的惯性导航。到20世纪50年代，美国通过液浮技术研制出精确度更高的液浮陀螺仪，这使陀螺仪的性能得到革命性的提升，并且达到了惯性制导军事级的要求。1954年，以陀螺仪为基础的惯性导航系统，成功应用在了飞机上，实现了自动导航飞行，这极大的提高了飞行的安全性。到20世纪80年代,激光陀螺开始兴起，并成功应用于飞机和地面车辆的导航、舰炮制导和水下作业等,开始取代技术落后的机械陀螺,并进行了用于导弹、运载火箭等更高的精度的试验。现在激光陀螺仪仍在快速发展中，并有很大的市场潜力。

我国的惯性导航研究始于上世纪五十年代末，虽然起步较晚，但发展很快，并紧跟世界发展主流，成功应用于航空航天、水下作业和军事等领域。1970年,我国将第一颗人造地球卫星送入太空,其中惯性导航技术就如人类的眼睛，发挥了不可或缺的作用。20世纪90年代，我国的惯性导航关键技术取得重大突破，攻破了陀螺仪控制、误差补偿等技术难题。同时随着改革开放的大力推进和工业的不断发展，惯性器件的制造工艺和核心技术都取得突飞猛进的进步。我国自主研发的高精度激光陀螺、静电陀螺都已投入使用，并成功应用在制导武器、航空航天、水下作业等领域。中国航空工业第一集团公司自主开发的组合式导航系统，并得到广泛生产，这标志着我国惯性导航技术达到了国际前列的水平。

现在，惯性导航技术发展的主要趋势是提高惯性器件性能，市场上流行的主要有激光陀螺、液浮陀螺、光纤陀螺这几种。激光陀螺能精度高，能极大的降低成本。光纤陀螺相对于激光陀螺更能降低随机游走误差。液浮陀螺利用阿基米德原理让浮力与重力相抵消，达到了悬浮使其支承轴承，广泛应用于潜艇与水下作业探测。上世纪80初开始出现了以MEMS（微机系统）为依托平台的惯性测量器件，其体积很小，可将惯性测量单元集成于一个微机中，这是现代惯性导航技术发展的一个大的方向。我国的 MEMS惯性测量单元的发展刚刚起步，作为”十一五”计划的重点发展项目。这些年国内在基于MEMS 技术的惯性测量单元的研究取得重大成果。南京航空航天大学在2007年研发了商用型冗余 MEMS惯性测量单元，其可靠性得到很大提高，目前国内最先进的MEMS惯性测量单元已达到国际先进水平。通过气压计、加速度计、陀螺仪、磁强计结合的惯性测量器件，因其低成本、低功耗、小体积而得以在手机、掌上电脑等手持式设备上应用。IMU与GPS组合导航，发挥各自的优势，这也是未来导航技术的发展趋势。

三、难点及方法综述