旋转调制技术在MEMS捷联惯导系统中的应用与改进

发布时间：2017-10-27 05:09

  本文关键词：旋转调制技术在MEMS捷联惯导系统中的应用与改进

  更多相关文章： MEMS 旋转惯导系统 旋转方案 自标定 信息融合

【摘要】：随着科技的发展,惯性导航系统在军事、民用领域发挥着必不可少的作用。MEMS惯性器件具有体积小、重量轻、成本低等优势,因而基于MEMS惯性器件的导航系统的应用场合愈发广泛。然而MEMS惯性器件精度较低,影响导航系统精度。基于此,本文将旋转调制技术应用在MEMS捷联惯导系统中,通过在MEMS捷联惯导系统中增加转动机构,周期性地改变MEMS惯性器件敏感轴相对于导航系的方向,将常值误差调制成均值为零的周期性变化信号,从而抵消惯性器件误差引起的导航误差,提高系统的导航精度。论文研究了旋转调制技术在MEMS捷联惯导系统中的应用与改进,研究和设计了一种基于MEMS惯性器件的旋转调制方案;针对MEMS惯性器件精度较差等问题,设计了自标定与初始对准方案;然后,针对传统姿态算法在旋转惯导系统中工程应用时存在的不足,提出了一种单轴旋转MEMS惯导系统方位角误差的估计与补偿技术;最后,搭建了旋转MEMS惯导系统原理样机,验证了旋转调制技术对MEMS捷联惯导系统的性能提升作用。针对MEMS惯性器件成本较低和精度较差等特点,论文首先从转轴数量、旋转速度和旋转方向三个影响因素出发,对旋转MEMS惯导系统的旋转方案进行研究与设计,然后对MEMS惯性器件主要误差分别进行仿真实验,对比分析了采用旋转调制技术前后不同误差对于系统导航精度的影响,为旋转方案的确定以及原理样机的搭建提供了理论分析基础。考虑到MEMS惯性器件精度较差,论文推导并建立了MEMS惯性器件的输出模型,并设计了一种自标定与初始对准方案,在对准姿态的同时辨识出器件的零偏误差、Z轴陀螺标度因数等参数。论文通过多组实验结果对该方法进行了验证。针对单轴旋转MEMS惯导系统中存在的航向角误差发散问题以及旋转惯导系统传统姿态解算过程需要依赖转动机构的高分辨转位信息的问题,论文提出了一种基于磁航向计/转位信息融合的单轴旋转MEMS惯导系统方位角误差的估计与补偿技术,对转动系航向角和转动机构转位信息进行实时估计,在提高导航系统定位精度的同时,降低了系统对于测角装置分辨率的需求,显著降低了系统成本。通过仿真实验对该方法进行了验证。为了对旋转MEMS惯导系统在实际场景下的性能进行测试,论文搭建了旋转MEMS惯导系统原理样机,并基于该样机进行了静基座实验和跑车实验,通过实验数据验证了旋转调制技术对MEMS捷联惯导系统的导航性能改善作用。论文的研究为旋转MEMS惯导系统的设计、研制与优化,旋转调制技术在MEMS捷联惯导系统中的改进提供了较好的参考方案,具有较好的工程应用参考价值。
【关键词】：MEMS 旋转惯导系统 旋转方案 自标定 信息融合
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN96
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注释表13-14
• 缩略词14-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 论文研究背景15
• 1.2 旋转MEMS惯导系统的研究现状15-19
• 1.2.1 旋转调制技术的发展历程15-17
• 1.2.2 基于MEMS惯性器件的旋转调制技术的发展现状17-19
• 1.3 论文研究目的与意义19-20
• 1.4 论文的主要工作及结构安排20-23
• 第二章 旋转MEMS惯导系统旋转方案设计与验证23-39
• 2.1 引言23
• 2.2 旋转MEMS惯导系统误差传播方程与调制机理研究23-26
• 2.2.1 旋转MEMS惯导系统误差传播方程24-25
• 2.2.2 旋转MEMS惯导系统误差调制机理25-26
• 2.3 旋转MEMS惯导系统的旋转方案研究与设计26-29
• 2.3.1 旋转MEMS惯导系统中转轴数量的选择26
• 2.3.2 旋转MEMS惯导系统中旋转速度的影响与分析26-27
• 2.3.3 旋转MEMS惯导系统中旋转方向的影响与选择27-29
• 2.4 旋转MEMS惯导系统器件误差建模与旋转方案的仿真验证29-37
• 2.4.1 MEMS惯性器件误差仿真参数设置29-30
• 2.4.2 旋转MEMS惯导系统旋转方案的仿真验证30-37
• 2.5 本章小结37-39
• 第三章 旋转MEMS惯导系统自标定与对准方案的研究与设计39-49
• 3.1 引言39
• 3.2 旋转MEMS惯导系统的器件输出模型的建立39-40
• 3.3 旋转MEMS惯导系统自标定与对准方案设计40-45
• 3.3.1 旋转MEMS惯导系统自标定41-44
• 3.3.2 旋转MEMS惯导系统初始对准44-45
• 3.4 旋转MEMS惯导系统自标定与对准方案的实验验证45-48
• 3.4.1 旋转MEMS惯导系统自标定与对准方案实验环境构建45-47
• 3.4.2 旋转MEMS惯导系统自标定与对准方案实验结果分析47-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 单轴旋转MEMS惯导系统方位角误差的估计与补偿技术49-59
• 4.1 引言49
• 4.2 基于磁航向计/高分辨率转位信息融合的方位角误差估计与补偿技术49-54
• 4.2.1 状态方程和量测方程的建立50-51
• 4.2.2 UKF的设计与构建51-54
• 4.3 基于磁航向计/低分辨率转位信息融合的方位角误差估计与补偿技术54-56
• 4.3.1 状态方程和量测方程的建立55-56
• 4.4 单轴旋转MEMS惯导系统方位角误差的估计与补偿技术实验验证56-58
• 4.4.1 仿真条件设置56
• 4.4.2 仿真实验结果与分析56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 旋转MEMS惯导系统原理样机的实现与验证59-72
• 5.1 引言59
• 5.2 旋转MEMS惯导系统原理样机的实现59-63
• 5.2.1 旋转MEMS惯导系统原理样机的硬件系统搭建59-62
• 5.2.2 旋转MEMS惯导系统原理样机软件流程设计与算法实现62-63
• 5.3 旋转MEMS惯导系统原理样机的验证63-71
• 5.3.1 旋转MEMS惯导系统静基座实验63-66
• 5.3.2 旋转MEMS惯导系统跑车实验66-71
• 5.4 本章小结71-72
• 第六章 总结与展望72-74
• 6.1 本文工作总结72-73
• 6.2 对未来工作的展望73-74
• 参考文献74-80
• 致谢80-81
• 在学期间的研究成果及学术论文情况81-82

【参考文献】

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本文编号：1102037