MEMS陀螺仪组合系统及滤波算法设计

发布时间：2017-03-17 13:07

  本文关键词：MEMS陀螺仪组合系统及滤波算法设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微小卫星凭借其发射灵活、成本低、功能密度高、研制周期短等一系列优势,成为当前国际空间技术研究的热点。MEMS陀螺仪具有体积小、耗能低、重量轻、惯性小、带宽大、易于集成且成本低等一系列优点,因此有望广泛地应用在微小卫星姿轨控制系统中。本课题来源于某研究院的横向课题,主要为了实现MEMS陀螺仪在微小卫星姿轨控制系统中的应用。为实现对MEMS陀螺仪数据的采集、分析、滤波与储存,构建了一套MEMS陀螺仪组合系统,主要包括下位机数据采集系统与上位机数据接收系统。前者主要通过采用高度集成的片上So C Smart Fusion2系列处理器实现对高精度MEMS陀螺仪CRG20数据的采集与滤波功能,后者主要实现数据接收、解算、显示及储存功能。为了便于调试、移植、应用并减小系统电路板的面积,下位机系统采用模块化设计思想,通过底板提供控制电源及RS-422、CAN、SPI等通信接口,其它各功能模块,包括核心板模块、微陀螺模块、ADC模块、无线模块等均能插于底板上。最终实现了CRG20信号的采集、滤波、实时显示与存储。针对MEMS陀螺精度低、随机噪声大等应用瓶颈问题,设计了一种基于自回归模型(Autoregressive,AR)的Kalman滤波算法。通过利用Allan方差对CRG20测量数据进行噪声分析,建立了CRG20随机漂移误差的AR数学模型;为利用误差模型输出陀螺仪角速度真值,在滤波器状态向量中加入真值状态,进而得到Kalman滤波器状态方程;CRG20的输出数据作为测量信号,建立Kalman滤波器测量方程。系统过程噪声项和测量噪声项的方差Q、R,分别选取陀螺仪速率随机游走噪声系数和角度随机游走系数。然后对Kalman滤波器进行Matlab仿真,并分析AR模型参数和Q、R参数的取值对Kalman滤波器的滤波效果的影响。最后,将Kalman滤波汇编为c语言程序移植到下位机中,实现实时在线滤波。仿真结果表明,本文设计的Kalman滤波器参数选取得当,可以有效地滤除高频噪声,显著提高信号的输出精度和平滑性,能够跟踪上对快速性要求不高的卫星姿态变化信号。
【关键词】：MEMS陀螺 Kalman滤波 AR模型 SmartFusion2 随机噪声
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 课题研究的背景和意义9-10
• 1.2 国内外MEMS陀螺仪研究现状及分析10-17
• 1.2.1 MEMS陀螺仪主要应用10-13
• 1.2.2 国内外MEMS陀螺仪主要型号13-14
• 1.2.3 国外使用MEMS陀螺仪的航天器14-17
• 1.3 MEMS陀螺仪滤波算法研究现状17-19
• 1.3.1 MEMS陀螺仪常用滤波算法18
• 1.3.2 MEMS陀螺仪滤波算法的研究与应用实例18-19
• 1.4 本文主要研究内容19-21
• 第2章 MEMS陀螺仪基本特性21-26
• 2.1 MEMS陀螺仪噪声特性及其性能指标21-22
• 2.2 Allan方差分析方法22-25
• 2.2.1 Allan方差定义22-23
• 2.2.2 MEMS陀螺仪各项随机误差辨识23-25
• 2.2.3 Allan方差测试要点25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 MEMS陀螺仪组合应用系统构建26-41
• 3.1 硬件系统总体设计26-28
• 3.2 系统CPU设计28-32
• 3.2.1 CPU选型28-29
• 3.2.2 CPU开发环境29-30
• 3.2.3 CPU片内逻辑设计30-32
• 3.3 MEMS陀螺仪CRG20 模块硬件设计32-34
• 3.4 MEMS陀螺仪数据采集程序设计34-37
• 3.4.1 CRG20 通信时序34-36
• 3.4.2 采集程序设计36-37
• 3.5 上位机数据采集设计37-40
• 3.5.1 与上位机通信接口设计37-38
• 3.5.2 上位机采集软件设计38-39
• 3.5.3 上位机采集软件功能39-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第4章 MEMS陀螺仪滤波算法研究41-48
• 4.1 MEMS陀螺仪数学模型41-45
• 4.1.1 时间序列模型结构41
• 4.1.2 AR模型建模流程41-43
• 4.1.3 陀螺仪残差信号建模43-45
• 4.2 Kalman滤波器设计45-47
• 4.2.1 离散型kalman滤波方程45-46
• 4.2.2 Kalman滤波器设计46-47
• 4.3 本章小结47-48
• 第5章 测试与分析48-64
• 5.1 数据采集环境48-49
• 5.2 基于Allan方差方法分析MEMS陀螺仪各项性能49-53
• 5.2.1 Matlab程序设计49-51
• 5.2.2 结果分析51-53
• 5.3 滤波器测试53-55
• 5.3.1 滤波器形式53-54
• 5.3.2 Matlab程序框图54-55
• 5.4 结果分析55-63
• 5.4.1 AR模型系数? 对Kalman滤波效果的影响56-59
• 5.4.2 Q/R对Kalman滤波效果的影响59-61
• 5.4.3 下位机实现实时滤波效果61-63
• 5.5 本章小结63-64
• 结论64-66
• 参考文献66-70
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果70-72
• 致谢72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 邹学锋;卢新艳;;基于Allan方差的MEMS陀螺仪性能评价方法[J];微纳电子技术;2010年08期

2 丛丽;秦红磊;邢菊红;;小波阈值去噪和FAR建模结合的MEMS陀螺数据处理方法[J];电子技术应用;2010年12期

3 赵世峰;张海;沈小蓉;范耀祖;;MEMS陀螺随机噪声的多尺度时间序列建模[J];中国惯性技术学报;2006年05期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 梁锋;基于MEMS惯性器件的小型姿态测量系统设计[D];哈尔滨工程大学;2011年

2 张目;激光陀螺零偏误差补偿技术研究[D];重庆大学;2006年

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本文编号：252937