MATLAB实现的捷联惯性导航四元数姿态解算系统

资 源 简 介

本项目利用MATLAB开发，基于四元数算法处理陀螺仪和加速度计的惯性测量数据。通过四元数微分方程实时更新姿态矩阵，并转换为欧拉角输出，适用于动态姿态跟踪与导航应用。

详 情 说 明

捷联惯性导航四元数姿态解算系统

项目介绍

本项目实现了一套基于四元数算法的捷联惯性导航姿态解算系统。系统通过处理陀螺仪和加速度计的惯性测量数据，利用四元数微分方程进行高精度姿态更新计算，最终输出旋转矩阵和欧拉角形式的姿态信息。该系统适用于无人机飞行控制、车载导航定位、机器人运动感知等多种需要实时姿态估计的应用场景。

功能特性

• 四元数姿态更新：采用龙格-库塔法数值积分求解四元数微分方程，确保姿态更新的精度和稳定性
• 多形式姿态输出：同步输出姿态更新矩阵、实时四元数状态和欧拉角（俯仰、横滚、偏航）
• 数据预处理：对原始惯性测量数据进行有效性校验和格式规范化
• 正交化处理：对姿态矩阵进行正交化和归一化处理，防止数值误差累积
• 灵活初始化：支持自定义初始四元数，默认采用无旋转初始状态

使用方法

基本调用格式

% 输入参数说明： % gyro_data: 3×N矩阵，陀螺仪角速度数据（单位：rad/s） % accel_data: 3×N矩阵，加速度计测量数据（单位：m/s²） % init_quat: 1×4向量，初始四元数（可选，默认[1,0,0,0]） % dt: 标量，采样时间间隔（单位：秒）

% 调用姿态解算函数 [rotation_matrix, quaternion, euler_angles] = main(gyro_data, accel_data, dt, init_quat);

输出结果说明

• rotation_matrix: 3×3×N数组，每个时间点对应的姿态更新矩阵
• quaternion: N×4矩阵，按时间顺序记录的四元数状态
• euler_angles: N×3矩阵，对应的欧拉角（俯仰角、横滚角、偏航角），单位为弧度

系统要求

• MATLAB R2018a或更高版本
• 支持矩阵运算和三维数组操作的基本MATLAB环境
• 无需额外工具箱支持

文件说明

主程序文件完整实现了捷联惯性导航姿态解算的核心流程，包含数据输入验证与预处理、基于四元数微分方程的姿态更新计算、采用数值积分方法求解姿态变化、坐标变换矩阵的正交化校正处理、四元数到欧拉角的坐标转换，以及最终多种姿态形式的同步输出功能。