传统姿态测量系统是一类使用高精度惯性器件来获取运动载体偏航角、俯仰角和横滚角的设备,其在航空航天、工业控制等高端领域发挥着重要作用。随着MEMS惯性传感器和磁传感器的出现,设计新型的多传感器组合测姿系统成为可能。该系统具有功耗低、体积小、成本低、可靠性高、精度适中、集成度高等特点,在民用和消费电子领域拥有非常广阔的应用前景。本文设计了一款小型测姿系统,选用6轴MEMS惯性器件MPU6050,磁传感器HMC5883L和气压计BMP180作为其敏感元件,以STM32F103T8U6为微控制器,实时采集载体角速率、加速度以及所处位置的地磁场、温度和高度等数据,执行设计的数据融合算法,解算姿态信息,并最终将姿态角通过串口输出。论文主要研究了基于捷联惯导技术的姿态测量原理,分析了三维空间中载体旋转的四元数表示方法,并详细推导了欧拉角和四元数分别描述的姿态矩阵以及四元数的更新方程,重点讲述了所设计的互补滤波算法和最速下降算法在测姿系统中的应用。此外,还分别对各个传感器的参数进行了校准,对其原始输出数据进行了滤波处理。最后使用本文设计的测姿系统分别进行单独使用陀螺仪解算姿态角的漂移测试、多传感器数据融合后的姿态角静态输出稳定性测试、动态下姿态角的跟踪性能测试和姿态角准确度测试。实验结果表明:两种算法均能避免单独使用陀螺仪解算姿态时角度漂移严重的问题,有效补偿了姿态角的输出误差,且静态情况下互补滤波法姿态角标准差均优于0.09°,最速下降法姿态角标准差均优于0.07°,最速下降法能更有效地抑制系统噪声,提高系统姿态解算的稳定性。