传感器信息互补性

定义与背景

数据融合指使用多个传感器观测同一被测量时，对输出进行分析综合，以获得最优一致性描述。在姿态测量中，陀螺仪与加速度计是典型的互补传感器对。

陀螺仪与加速度计的特性对比

陀螺仪测量角速度，可准确反映运动状态，但静止时存在零点漂移，即输出不为零的缓变误差。加速度计在静止时可通过重力分量获得精确倾角，但在非静止时受运动加速度影响，倾角解算被动态加速度干扰。

误差频带互补性

陀螺仪的漂移是低频误差，其动态响应好，高频段可信；加速度计的动态干扰是高频误差，其静态倾角准，低频段可信。两者误差在频域上互补，在共同截止频率附近按互补滤波组合后，可在该模型有效频带内近似覆盖所需信号频谱。

互补滤波重构角位移

加速度计路径：原始信号（含高频噪声）作为角位移输入，经低通滤波器处理后保留低频分量。
陀螺仪路径：原始信号（含低频噪声）作为角速度输入，经积分器转换为角位移，再经高通滤波器处理后保留高频分量。
信号重构：两条路径的输出在求和节点处叠加，得到完整的重构角位移。

符号与单位

角位移常用符号 θ，单位 rad 或 °；角速度常用符号 ω，单位 rad/s 或 °/s；积分关系为 θ(t)=∫ω(t)dt。低通与高通滤波器的截止频率决定两路信号的交接频带。

适用范围

该互补滤波适用于陀螺仪与加速度计误差频带分离且互补的场合，要求加速度计在低频段可信、陀螺仪在高频段可信。若动态加速度频率落入低频段或陀螺漂移过快，互补假设不再成立。

加速度计提供重力主导条件下的倾斜参考，可估计俯仰与横滚，不能单独确定航向；明显平动加速度会干扰该参考。互补滤波须保证坐标、符号、量纲和时间一致，一阶滤波在规定模型和有效频带内近似组合信息，不保证覆盖任意运动的完整频谱。