MEMS陀螺儀組合系統(tǒng)及濾波算法設(shè)計(jì).pdf

1、微小衛(wèi)星憑借其發(fā)射靈活、成本低、功能密度高、研制周期短等一系列優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前國(guó)際空間技術(shù)研究的熱點(diǎn)。MEMS陀螺儀具有體積小、耗能低、重量輕、慣性小、帶寬大、易于集成且成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此有望廣泛地應(yīng)用在微小衛(wèi)星姿軌控制系統(tǒng)中。本課題來(lái)源于某研究院的橫向課題，主要為了實(shí)現(xiàn)MEMS陀螺儀在微小衛(wèi)星姿軌控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
　　為實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)的采集、分析、濾波與儲(chǔ)存，構(gòu)建了一套MEMS陀螺儀組合系統(tǒng)，主要包括下位機(jī)數(shù)據(jù)采

2、集系統(tǒng)與上位機(jī)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。前者主要通過(guò)采用高度集成的片上SoC SmartFusion2系列處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度MEMS陀螺儀CRG20數(shù)據(jù)的采集與濾波功能，后者主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、解算、顯示及儲(chǔ)存功能。為了便于調(diào)試、移植、應(yīng)用并減小系統(tǒng)電路板的面積，下位機(jī)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，通過(guò)底板提供控制電源及RS-422、CAN、SPI等通信接口，其它各功能模塊，包括核心板模塊、微陀螺模塊、ADC模塊、無(wú)線模塊等均能插于底板上。最終實(shí)現(xiàn)了CRG

3、20信號(hào)的采集、濾波、實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。
　　針對(duì)MEMS陀螺精度低、隨機(jī)噪聲大等應(yīng)用瓶頸問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于自回歸模型（Autoregressive，AR）的Kalman濾波算法。通過(guò)利用Allan方差對(duì)CRG20測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲分析，建立了CRG20隨機(jī)漂移誤差的AR數(shù)學(xué)模型；為利用誤差模型輸出陀螺儀角速度真值，在濾波器狀態(tài)向量中加入真值狀態(tài)，進(jìn)而得到Kalman濾波器狀態(tài)方程；CRG20的輸出數(shù)據(jù)作為測(cè)量信號(hào)，建立Kalman

4、濾波器測(cè)量方程。系統(tǒng)過(guò)程噪聲項(xiàng)和測(cè)量噪聲項(xiàng)的方差Q、R，分別選取陀螺儀速率隨機(jī)游走噪聲系數(shù)和角度隨機(jī)游走系數(shù)。然后對(duì)Kalman濾波器進(jìn)行Matlab仿真，并分析AR模型參數(shù)和Q、R參數(shù)的取值對(duì)Kalman濾波器的濾波效果的影響。
　　最后，將Kalman濾波匯編為c語(yǔ)言程序移植到下位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線濾波。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的Kalman濾波器參數(shù)選取得當(dāng)，可以有效地濾除高頻噪聲，顯著提高信號(hào)的輸出精度和平滑性，能夠跟蹤上對(duì)