MATLAB实现基于龙格库塔算法的MEMS IMU姿态解算系统

资 源 简 介

本项目采用四级四阶龙格库塔（RK4）数值积分方法，通过处理MEMS IMU的陀螺仪和加速度计数据，实时解算载体三维姿态角。适用于惯性导航、无人机姿态估计等场景，提供高精度解算结果。

详 情 说 明

基于四级四阶龙格库塔算法的MEMS IMU捷联姿态解算系统

项目介绍

本项目实现了一种基于经典四级四阶龙格库塔（RK4）数值积分方法的MEMS惯性测量单元（IMU）捷联姿态解算系统。系统通过处理MEMS IMU采集的陀螺仪和加速度计原始数据，实时计算载体在三维空间中的姿态角（滚转角、俯仰角、偏航角）。采用四元数表示法进行姿态描述，利用RK4算法对姿态微分方程进行高精度数值积分，有效减小传统欧拉法带来的累积误差，显著提高了长时间姿态解算的精度和稳定性。

功能特性

• 高精度数值积分：采用四级四阶龙格库塔（RK4）算法，提供优于传统欧拉法的积分精度
• 四元数姿态表示：使用四元数进行姿态描述，避免万向节锁问题，提高计算效率
• 实时姿态解算：能够实时输出载体的三维姿态信息
• 多传感器融合：支持陀螺仪、加速度计数据融合，可选磁力计数据用于偏航角校正
• 误差补偿技术：集成MEMS IMU数据预处理与误差补偿算法
• 性能评估：提供姿态解算精度评估指标（如均方根误差等）

使用方法

输入参数

• 三轴陀螺仪原始数据（角速度）：[ω_x, ω_y, ω_z]，单位rad/s
• 三轴加速度计原始数据：[a_x, a_y, a_z]，单位m/s²
• 初始姿态四元数：[q0, q1, q2, q3]（默认初始姿态为[1,0,0,0]）
• 传感器采样频率（Hz）
• 可选：磁力计数据用于偏航角校正（[m_x, m_y, m_z]）

输出结果

• 实时姿态四元数：[q0, q1, q2, q3]
• 欧拉角姿态：

- 滚转角（Roll，φ），单位度 - 俯仰角（Pitch，θ），单位度 - 偏航角（Yaw，ψ），单位度

• 姿态解算过程中的时间序列数据
• 解算精度评估指标（如均方根误差等）

基本使用流程

1. 配置传感器参数和采样频率
2. 设置初始姿态四元数（或使用默认值）
3. 输入陀螺仪和加速度计测量数据
4. 运行姿态解算算法
5. 获取实时姿态四元数和欧拉角输出

系统要求

• MATLAB R2018a或更高版本
• 支持基本的矩阵运算和数值计算功能
• 适用于Windows/Linux/macOS操作系统

文件说明

主程序文件实现了系统的核心功能，包括传感器数据的读取与预处理、四级四阶龙格库塔算法的完整实现、四元数的初始化与更新计算、姿态四元数向欧拉角的转换、解算结果的实时输出与可视化展示，以及解算精度的评估与分析。该文件整合了所有关键算法模块，为用户提供完整的姿态解算解决方案。