面向車輛導(dǎo)航的MIMU及其與GPS組合的研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是近年來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，而微慣性傳感器是微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要分支。微慣性傳感器具有體積小、功耗低以及造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)，然而由于受制造工藝、技術(shù)的限制，微慣性傳感器的性能還不能滿足導(dǎo)航應(yīng)用要求。因此，人們?cè)谘芯课T性器什的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)的同時(shí)，也在研究通過(guò)器件誤差補(bǔ)償或系統(tǒng)組合來(lái)提高微慣性系統(tǒng)的性能。后者的研究?jī)?nèi)容主要涉及GPS、微慣性系統(tǒng)以及組合導(dǎo)航算法三個(gè)方面。 鑒于GPS的研究和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，

2、因此本論文主要圍繞MEMS陀螺儀隨機(jī)漂移的分析和建模、微慣性測(cè)量組合(MIMU)以及微慣性系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行導(dǎo)航運(yùn)算這三個(gè)方面展開(kāi)研究，具體內(nèi)容如下： (1)本文對(duì)某型號(hào)MEMS陀螺儀隨機(jī)漂移的分析和建模進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上提出了對(duì)帶有季節(jié)分量的非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行建模的方法。 陀螺儀的隨機(jī)漂移是影響慣性系統(tǒng)性能的一個(gè)主要因素，前人在這方面已進(jìn)行了大量研究。目前已有多種建模補(bǔ)償方法成功地應(yīng)用于傳統(tǒng)陀螺儀隨機(jī)漂移的補(bǔ)償，這些模型隨陀

3、螺儀隨機(jī)漂移性質(zhì)的不同而分為平穩(wěn)模型和非平穩(wěn)模型。MEMS陀螺儀的隨機(jī)漂移特性未知且漂移比傳統(tǒng)陀螺儀大，本研究采用建模的方法對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。首先對(duì)MEMS陀螺儀的隨機(jī)漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行了平穩(wěn)性分析。采用游程分析法將MEMS陀螺儀的隨機(jī)漂移數(shù)據(jù)分為間隔的數(shù)據(jù)段進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在短時(shí)間間隔情況下，MEMS陀螺儀的隨機(jī)漂移呈現(xiàn)為方差平穩(wěn)、均值不平穩(wěn)的統(tǒng)計(jì)過(guò)程，因此本文引入非平穩(wěn)建模方法對(duì)隨機(jī)漂移過(guò)程進(jìn)行描述。 進(jìn)一步的分析表明，該漂移數(shù)據(jù)

4、還具有一定的季節(jié)分量。采用傳統(tǒng)的時(shí)間序列法對(duì)漂移進(jìn)行建模的結(jié)果表明，線性模型不能很好地描述漂移特性，建模效果較差，因此本文引入了非線性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模?？紤]到系統(tǒng)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性，采用了徑向基網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于漂移信號(hào)不平穩(wěn)且?guī)в屑竟?jié)分量，本文對(duì)可以處理非平穩(wěn)信號(hào)的梯度徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，使之可以處理具有非平穩(wěn)季節(jié)特征的MEMS陀螺儀漂移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的梯度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以很好地描述隨機(jī)漂移信號(hào)的性質(zhì)，其建模效果要好于傳統(tǒng)

5、的時(shí)間序列模型。 (2)本文對(duì)構(gòu)建的MIMU進(jìn)行了安裝誤差的標(biāo)定試驗(yàn)，并分析了MIMU的構(gòu)成方式以及改進(jìn)方法。 MIMU標(biāo)定工作包括對(duì)微慣性傳感器的標(biāo)定以及對(duì)MIMU的標(biāo)定兩部分。首先對(duì)MEMS加速度計(jì)和陀螺儀進(jìn)行了標(biāo)定，采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以確定其零點(diǎn)漂移以及標(biāo)度因數(shù)，然后采用傳統(tǒng)的多位置實(shí)驗(yàn)法對(duì)加速度計(jì)的安裝誤差進(jìn)行了標(biāo)定，確定了加速度計(jì)的安裝非正交誤差角?？紤]到研究所用的MEMS陀螺儀不能敏感地球自轉(zhuǎn)角速率

6、，本文采用了速率試驗(yàn)確定陀螺儀的安裝誤差們。 本文還分析了MIMU的構(gòu)成方式，提出了差動(dòng)式傳感器設(shè)計(jì)以減小零位誤差對(duì)系統(tǒng)的影響。兩個(gè)敏感方向相反的傳感器安裝在一起就構(gòu)成了差動(dòng)式傳感器結(jié)構(gòu)，由于兩個(gè)傳感器為同一型號(hào)而且安裝位置接近，因此其零點(diǎn)漂移變化性質(zhì)是類似的，著動(dòng)式傳感器可在一定程度上消除其影響。研究結(jié)果表明：差動(dòng)式傳感器設(shè)計(jì)可以較好地消除零點(diǎn)啟動(dòng)重復(fù)性誤差帶來(lái)的影響。另外，本文還探討了利用傳感器陣列提高M(jìn)IMU性能可行性。論

7、文還針對(duì)MEMS陀螺儀受震動(dòng)引起的誤差問(wèn)題，采用滑動(dòng)平均的方法進(jìn)行了濾波和去野值處理，提高了由MEMS傳感器構(gòu)成的MIMU的性能。 (3)將GPS、由MEMS傳感器構(gòu)成的MIMU慣性系統(tǒng)通過(guò)PC104計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)起來(lái)構(gòu)成了組合系統(tǒng)，并在該平臺(tái)上進(jìn)行了面向車輛的MIMU/GPS組合系統(tǒng)的相關(guān)研究。 通過(guò)采用GPS動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)MIMU和地面車輛運(yùn)動(dòng)限制條件相結(jié)合的方法，可使組合系統(tǒng)具有在失去GPS信號(hào)的一段時(shí)間內(nèi)單獨(dú)承擔(dān)導(dǎo)航任務(wù)的

8、功能。車載試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：在GPS信號(hào)丟失的情況下，本MIMU仍能在一定時(shí)間內(nèi)保證導(dǎo)航所需的精度。 將本文提出的建模方法應(yīng)用于車載試驗(yàn)中MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)的補(bǔ)償，結(jié)果表明：MEMS陀螺儀的隨機(jī)漂移對(duì)定位偏差的影響隨時(shí)間積累，但是在短時(shí)間內(nèi)影響定位偏差的主要因素是MEMS陀螺儀的常值漂移而非隨機(jī)漂移。該試驗(yàn)的結(jié)果同時(shí)也說(shuō)明了本文所提出的建模方法的有效性。 本論文的研究主要集中在陸地車輛導(dǎo)航應(yīng)用上，但是由于提升微慣性系統(tǒng)性能是