三轴MEMS陀螺井下寻北的旋转在线校准研究

发布时间：2017-08-10 02:16

  本文关键词：三轴MEMS陀螺井下寻北的旋转在线校准研究

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【摘要】：陀螺寻北仪是一种利用陀螺仪惯性原理实现自主寻北的仪器,它能够实现全天候、全方位、自主、快速的方向测定,具有精度高、连续工作时间长等优点。微机电系统(micro electro mechanical systems,MEMS)陀螺仪具有体积小、强抗冲击振动、成本低、可靠性高等传统惯性传感器所不兼具的优点,因此,基于MEMS陀螺仪的井下寻北系统成为一个很有潜力的发展方向。鉴于单轴MEMS陀螺仪测量精度低、受井下复杂环境影响及常见寻北方法不适用的局限性,论文提出了一种旋转在线校准方案实现三轴MEMS陀螺仪的井下寻北,主要工作如下:1.阐述了基于三轴MEMS陀螺仪井下寻北的研究背景及意义;概述了国内外寻北技术的研究现状,包括罗经式寻北仪、捷联式陀螺仪寻北仪及MEMS陀螺寻北技术的发展现状。概述寻北技术及MEMS陀螺的原理,并分别介绍二位置寻北、四位置寻北、多位置寻北以及连续动态寻北方案。基于此,论文展开了基于三轴MEMS陀螺仪井下寻北的旋转在线校准研究,本方案具有漂移小、成本低等优势。2.分析三轴MEMS陀螺仪的噪声来源,通过Allan方差分析法对三轴MEMS陀螺仪约1小时的静态数据进行分析,得到各项噪声源的误差系数,且量化噪声占主要因素。通过卡尔曼滤波对MEMS陀螺仪原始数据的滤波处理,量化噪声系数和角度随机游走系数降低1~2个数量级,其他噪声系数略微下降。针对三轴MEMS陀螺仪受安装误差影响,提出改进的标定算法,测量精度提高约2个数量级;针对三轴MEMS陀螺仪受温度漂移影响,运用改进灰色预测模型及最小二乘法对零偏进行温度补偿,MEMS陀螺仪零偏的平均绝对误差减小到0.4806mV。3.利用三轴MEMS陀螺仪数据通过四元素法进行更新获得实时的姿态角信息,再通过旋转控制系统对姿态角进行转位控制及寻北值的确定,实现 在线‖校准研究。从四种情况展开三轴MEMS陀螺仪井下寻北的旋转在线校准实验设计,通过实验结果的对比分析,寻北结果的最大均方根误差和最大平均绝对误差分别为0.9067°和0.9100°,验证了旋转在线校准方案的可行性,精度高,且重复性好。
【关键词】：MEMS陀螺仪 Allan方差 卡尔曼滤波 旋转在线校准 寻北
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN96
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-12
• 注释表12-13
• 第1章 绪论13-22
• 1.1 研究背景及意义13-16
• 1.1.1 研究背景13-15
• 1.1.2 研究意义15-16
• 1.2 国内外寻北技术的研究现状16-19
• 1.2.1 罗经式寻北仪发展现状16-17
• 1.2.2 捷联式陀螺寻北仪发展现状17-18
• 1.2.3 MEMS陀螺寻北技术的发展现状18-19
• 1.3 论文主要内容与组织结构19-22
• 1.3.1 论文主要内容19-21
• 1.3.2 论文组织结构21-22
• 第2章 MEMS陀螺仪寻北基本理论22-34
• 2.1 寻北相关概述22-24
• 2.1.1 寻北技术22
• 2.1.2 寻北分类22-23
• 2.1.3 MEMS陀螺的原理23-24
• 2.2 常见的寻北方法24-27
• 2.2.1 二位置寻北24-25
• 2.2.2 四位置寻北25-26
• 2.2.3 多位置寻北26-27
• 2.2.4 连续动态寻北27
• 2.3 基于三轴MEMS陀螺仪的井下寻北方案27-32
• 2.3.1 寻北相关坐标系及变换27-29
• 2.3.2 基于三轴MEMS陀螺仪的井下寻北方案29-32
• 2.4 寻北方案的比较32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 MEMS陀螺仪噪声分析与数据处理34-56
• 3.1 MEMS陀螺仪的噪声分析34-41
• 3.1.1 噪声来源34
• 3.1.2 Allan方差原理34-36
• 3.1.3 噪声特性分析36-38
• 3.1.4 MEMS陀螺的误差特性38-41
• 3.2 Kalman滤波在MEMS陀螺仪中的应用41-44
• 3.2.1 卡尔曼滤波原理41-42
• 3.2.2 实验结果分析42-44
• 3.3 MEMS陀螺仪的安装误差校准44-49
• 3.3.1 三轴MEMS陀螺标定方案45-46
• 3.3.2 标定系数计算46-47
• 3.3.3 实验结果分析47-49
• 3.4 MEMS陀螺仪的零偏温度补偿49-54
• 3.4.1 MEMS陀螺仪的温度特性50
• 3.4.2 灰色预测理论50-53
• 3.4.3 实验结果分析53-54
• 3.5 本章小结54-56
• 第4章 三轴MEMS陀螺仪井下寻北的旋转在线校准的实现56-62
• 4.1 旋转在线校准的算法实现56-57
• 4.2 四元素法确定姿态角57-59
• 4.3 旋转控制系统的设计与实现59-60
• 4.3.1 横滚角和俯仰角旋转控制系统的设计59-60
• 4.3.2 横滚角和俯仰角旋转控制系统的实现60
• 4.4 寻北值的确定60-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第5章 基于三轴MEMS陀螺仪井下寻北实验62-75
• 5.1 实验平台搭建及数据通信62-66
• 5.1.1 实验平台搭建62-63
• 5.1.2 数据通信协议63-64
• 5.1.3 数据采集模块软件实现64-66
• 5.2 基于三轴MEMS陀螺仪井下寻北的旋转在线校准实验66-74
• 5.2.1 实验设计66
• 5.2.2 实验流程66-68
• 5.2.3 实验及结果分析68-74
• 5.3 本章小结74-75
• 第6章 总结与展望75-78
• 6.1 本文工作总结75-76
• 6.2 未来工作展望76-78
• 参考文献78-84
• 附录A 姿态仪传输数据定义84-85
• 致谢85-86
• 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果86-87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：648379