高精度MEMS微惯性姿态系统的设计与实现

发布时间：2020-05-27 05:40

【摘要】：随着微机械电子系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术的发展,MEMS微惯性姿态系统因其成本低、体积小、重量轻、功耗低以及便携性好等优势广泛应用于生产生活领域。但由于MEMS惯性传感器测量精度低和系统环境适应性差,MEMS微惯性姿态系在飞机、火箭、船舶等领域应用受到一定限制。因此,研究高精度MEMS微惯性姿态系统对发展航海、航天、航空技术有着重要价值。本文主要针对MEMS微惯性姿态系统易受载体振动信号干扰和输出姿态精度低的问题,开展相关设计和测试实验,主要内容如下:(1)MEMS微惯性姿态系统设计。首先根据系统性能指标要求选型系统主要器件,然后设计系统硬件、软件和结构。系统硬件电路分为核心系统板、惯性测量板和外界通信板三部分。核心系统板主要功能是采集MEMS惯性传感器数据和通过数据融合与姿态解算获取载体姿态角度;惯性测量板是实现对载体惯性运动量的测量;对外通信板与外界进行数据交换。系统软件包括系统初始化、MEMS惯性传感器数据采集与滤波、数据校准、姿态解算和上位机数据显示。为了防止系统结构固有频率与载体振动频率带、MEMS惯性传感器固有频率发生交叉出现共振现象,对MEMS惯性传感器进行振动特性分析与仿真,确定系统结构固频率设置范围,优化系统结构设计。(2)姿态解算算法设计与仿真分析。针对于振动环境MEMS惯性传感器输出信号变化范围增大和噪声变大的问题,在传统的Mahony互补滤波、Madgwick梯度下降和扩展卡尔曼滤波三种算法基础上,设计改进型自适应Mahony互补滤波、改进型自适应Madgwick梯度下降和改进型自适应扩展卡尔曼滤波三种算法。通过无人机飞行仿真实验,得出三种改进型算法姿态误差从大到小为:改进型自适应Madgwick梯度下降法、改进型自适应扩展卡尔曼滤波算法、改进型自适应Mahony互补滤波算法.因此改进型自适应Mahony互补滤波算法更适合振动环境姿态解算,将其选为系统姿态解算算法。(3)MEMS微惯性姿态系统性能测试实验。MEMS微惯性姿态系统性能测试包括随机振动和姿态输出精度测试,系统随机振动测试实验表明,系统结构对载体振动信号起到了隔离效果,载体振动信号没有放大,改善了系统性能;而系统姿态精度测试实验得出,系统静态最大误差值在0.2deg内,动态姿态精度小于1deg(以高精度微姿态系统IMU520为基准设备)。随机振动和姿态输出精度测试数据表明,系统具有较强的环境适应性和较高的姿态输出精度。
【图文】：

陀螺仪

南华大学硕士学位论文1988 年，，美国 Draper 实验室采用平板电容驱动和检测闭环方法成功研制出第一款 MEMS 陀螺仪[2]，虽然该陀螺仪各项性能指标不太理想，但从此拉开了微机械陀螺研究序幕。2011 年，美国 ADI 公司[3]总结前人的经验成功研制出了陀螺仪 ADIS16488，该陀螺仪量程为±450deg/s，零偏稳定性为 3.5deg/h，封装如图 1.1 所示。同年，挪威 Sensonor 公司[4]也研制了一款型号为 STIM202 陀螺仪，其具有极强的严酷环境耐受力和卓越的抗震能力，量程为±400deg/s，零偏稳定性为 0.5deg/h，体积小、功耗低并在全工作范围内设置有温度补偿，封装如图 1.2 所示。

陀螺仪

南华大学硕士学位论文1988 年，美国 Draper 实验室采用平板电容驱动和检测闭环方法成功研制出第一款 MEMS 陀螺仪[2]，虽然该陀螺仪各项性能指标不太理想，但从此拉开了微机械陀螺研究序幕。2011 年，美国 ADI 公司[3]总结前人的经验成功研制出了陀螺仪 ADIS16488，该陀螺仪量程为±450deg/s，零偏稳定性为 3.5deg/h，封装如图 1.1 所示。同年，挪威 Sensonor 公司[4]也研制了一款型号为 STIM202 陀螺仪，其具有极强的严酷环境耐受力和卓越的抗震能力，量程为±400deg/s，零偏稳定性为 0.5deg/h，体积小、功耗低并在全工作范围内设置有温度补偿，封装如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH122

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