基于MEMS的轻量型位姿测量系统关键技术研究

发布时间：2020-06-15 17:12

【摘要】：位置与姿态测量系统(Position and Attitude System,PAS)是获取目标精确位置和姿态信息的一种装置,现已广泛应用于无人机、机器人、导航、智能穿戴等民用领域以及精确制导弹药等军事领域。普及的应用对PAS提出了轻量化、微型化以及更高精度的要求。此处的轻量化包括两层含义:系统重量的轻量化和系统核心算法的轻量化;后者指在系统满足使用需求的情况下,尽可能的使系统结构更加精简、系统算法更加高效。而激光陀螺、光纤陀螺和磁悬浮机械陀螺等高精度惯性器件受价格、体积、重量、解算算法复杂度较大、平台计算能力要求高等影响,无法得到广泛应用:微机械惯性器件的出现,使得位姿测量系统的轻量化和小型化成为可能,逐渐引领位置与姿态测量系统的发展方向。但MEMS惯性器件灵敏度低、一致性差,严重制约约了其在较高精度场合下的应用。本文以微惯性器件为核心,展开对轻量型PAS系统的关键技术的研究,重点关注误差成因、补偿及标定方法、滤波和融合方法等方面,以提高基于微惯性器件的 PAS系统的整体精度和稳定性。本文的主要研究工作如下:1.针对MEMS惯性器件精度切较低,误差材种类多的问题,研究了MEMS-IMU误差补偿理论,经Allan方差法分析得出:MEMS陀螺仪的随机误差主要成因是其零偏不稳定性和速率随机游走;在对比、分析转台多位置标定加速度计、离心机标定加速度方案后,设计了采集铅锤线和水平仪辅助加速度计校准的静态六位置编排方案,简化加速度计标定过程,实验结果表明该方案有效,能够对MEMS加速度计的误差进行校准;最后采用八字校准法采集当地地磁数据、利用最小二乘椭拟合法完成磁力计校准;对于MEMS陀螺仪校准,提出了磁力计辅助陀螺在线校准的标定算法,建立载体角速率在磁坐标系与MEMS陀螺仪角速率为主的Kalman滤波系统方程和地磁场感应矢量信息误差为观测方程,实现对陀螺的在线校准,提高惯性器件的测量精度的同时尽可能的降低器件的标定复杂度。2.研究SINS系统误差传递原理及姿态更更新方法,比较了现有姿态解算方法的优缺点,结合MEMS惯性器件特性,选择以MEMS陀螺仪角速率近似计算角增量更新姿态四元数,减轻系统算法运算量,利用多元有限拟合法完成了加速度计温漂补偿,加速度温度漂移减小30%以上,器件随机漂移小于4mg,提高了系统姿态测量精度;验证了 MEMS惯性器件纯SINS位置解算,实验表明SINS高度通道不收敛。3.采用GNSS/SINS忪组合模式,建立了以SINS误差量为状态量的Kalman滤波系统方程和GNSS/SINS系统位置、速度差值为观测量的观测方程,实现了基于MEMS惯性器件的位置与姿态解算,利用系统验证了系统的测量精度。实验结果表明,系统能够有效抑制位置误差和姿态误差,静态水平定位误差CEP(50%置信率)4米,姿态测量精度优于0.2°;动态测试下,姿态测量精度优于1°。
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;TN96
【图文】：

原理图,组合导航,原理图

系统概述逡逑上可以将组合导航系统划分为以下几类：无线电导航系统统之间的组合、惯性导航系统与数据库参考系统（地形辅间的组合等模式。而实际应用中，以惯性导航系统和卫星方式有松组合、紧组合、超紧组合三种结构。逡逑ＧＮＳＳ与ＳＩＮＳ提供的速度和位置比较求差值，将差值输数的误差信息反馈至ＳＩＮＳ系统，提高惯性导航精度。其式无论在硬件设计还是组合系统软件的设计与调试上都相程实践中。逡逑程实现简单，有冗余信息保障系统精度。缺点是ＧＮＳＳ接是经过内部的Ｋａｌｍａｎ滤波处理后得到的并非真实测量的色噪声的，普通的Ｋａｌｍａｎ滤波只能滤除白色噪声部分，其不具降噪能力。逡逑

参考坐标系

２．２．１邋＃＃坐标系逡逑运载体的位置、速度和姿态等特征参量是刻画加以描述的主要对象，而运动的相对性逡逑决定了建立坐标系描述运动状态的必然性。导航中所用的参考坐标系（如图２－１）可分为惯逡逑性系和非惯性系两类，图２－１中Ｎ代表地理北极方向、Ｕ竖直指向天、Ｗ沿经线指向西。逡逑１１逡逑

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