基于MEMS傳感技術(shù)的航姿系統(tǒng)算法研究.pdf

1、二十一世紀(jì)的高科技水平促進(jìn)了微電子技術(shù)和微機(jī)械加工工藝的進(jìn)步，在其推動(dòng)下MEMS慣性傳感器應(yīng)運(yùn)而生并且逐漸成為世界慣性領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。以MEMS慣性測(cè)量單元為主體的航姿參考系統(tǒng)以其微型化、輕質(zhì)量、低成本等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、汽車(chē)、艦船、潛艇、通訊設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。
　　微慣性系統(tǒng)由于其低精度和誤差隨時(shí)間累積等因素導(dǎo)致系統(tǒng)誤差大且易發(fā)散，因此它不能夠獨(dú)立完成姿態(tài)測(cè)量工作。本研究在MEMS慣性測(cè)量單元的基礎(chǔ)上以磁強(qiáng)

2、計(jì)、GPS為輔助，融合三者信息形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的航姿系統(tǒng)。
　　本文首先介紹了航姿系統(tǒng)中常用的參考坐標(biāo)系以及磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量原理，在此基礎(chǔ)上研究了利用MEMS加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)輸出信息進(jìn)行解析式初始對(duì)準(zhǔn)的方法。此外，介紹了MEMS航姿系統(tǒng)的多種姿態(tài)更新算法并對(duì)各個(gè)方法進(jìn)行對(duì)比分析，最終選擇四元數(shù)法進(jìn)行姿態(tài)更新。
　　在基本理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上本文對(duì)MEMS陀螺儀、MEMS加速度計(jì)以及磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行誤差分析并且分別建立了MEMS陀螺儀輸出誤差模型

3、、MEMS加速度計(jì)輸出誤差模型以及磁強(qiáng)計(jì)輸出誤差模型。然后，根據(jù)各誤差模型分別設(shè)計(jì)了陀螺儀角增量標(biāo)定方案、加速度計(jì)六位置標(biāo)定方案，同時(shí)研究了基于橢球假設(shè)的磁強(qiáng)計(jì)誤差標(biāo)定方案，進(jìn)而計(jì)算出各器件誤差參數(shù)并進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，為后續(xù)研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　在航姿系統(tǒng)算法研究過(guò)程中首先建立了基于大失準(zhǔn)角的MEMS慣性系統(tǒng)非線(xiàn)性誤差方程，在有GPS信號(hào)的情況下，以針對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng)的EKF濾波算法進(jìn)行MIMU、GPS、磁強(qiáng)計(jì)三者的信息融合，在此基礎(chǔ)

4、上利用GPS位置、速度和磁強(qiáng)計(jì)解算的磁航向與慣性系統(tǒng)自身解算的位置、速度、航向之差為 EKF濾波的觀測(cè)量，進(jìn)而估計(jì)系統(tǒng)姿態(tài)，之后通過(guò)仿真驗(yàn)證本算法的有效性。
　　在無(wú)GPS信號(hào)情況下，利用改進(jìn)的基于四元數(shù)誤差的自適應(yīng)卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)MIMU、磁強(qiáng)計(jì)組合姿態(tài)估計(jì)。利用陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)解算的同時(shí)以加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)為輔助，提出了基于加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的二階量測(cè)更新算法，以及針對(duì)外部加速度的自適應(yīng)算法，并且通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證了本算法的