Dual-Stage Quaternion Schätzer: Eine fortschrittliche Methode zur Schätzung von Orientierung und Winkelkinematik basierend auf der Fusion von IMU-Sensoren

In modernen Anwendungen zur Orientierung und Kontrolle, wie Robotern, unbemannten Fahrzeugen oder Pan-Tilt-Stabilisierungssystemen, ist die genaue Schätzung von Orientierungswinkeln, Winkeldrehgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen aus Daten der Inertial Measurement Unit (IMU) eine erhebliche Herausforderung aufgrund von Rauschen, Gyroskopenbias und systembedingter Nonlinearität. Lösungen, die den Erweitereten Kalman-Filter (EKF) nutzen, haben viele Vorteile bei der signifikanten Verbesserung der "Filterqualität" gezeigt; jedoch konzentrieren sich die meisten nur auf Orientierungswinkel und Winkeldrehgeschwindigkeiten und vernachlässigen die Winkelbeschleunigung – eine entscheidende Größe unter komplexen Bewegungsbedingungen. Dieses Papier schlägt einen verbesserten Filter, den "Dual-Stage Quaternion Schätzer" (DSQE), vor, der eine zweistufige Struktur verwendet, wobei Stufe 1 einen Unscented Kalman-Filter (UKF) auf Basis von Quaternionen anwendet und Stufe 2 einen linearen Kalman-Filter zur Schätzung der angularen Dynamik einschließlich der Winkelrucke verwendet. Diese Methode verbessert die Genauigkeit der Orientierungsschätzung dank der Taylor-Entwicklung zweiter Ordnung und der Fähigkeit des UKF, mit Nonlinearitäten umzugehen, und liefert zudem genaue Orientierungswinkel unter komplexen Bewegungsbedingungen. Simulationsergebnisse zeigen, dass der DSQE mit UKF herkömmliche Methoden übertrifft, insbesondere in Szenarien mit starken Vibrationen oder hohen Beschleunigungen.