微惯性传感器随机误差补偿及姿态融合技术研究
发布时间：2020-12-13 13:02
随着微机电系统(MEMS)不断发展,基于硅基的MEMS惯性测量单元(MIMU)也取得了长足进步。此类传感器具有快速响应、低功耗及低成本等优点,可广泛应用于航天、航空等导航领域,近年也在地面运动物体的导航中有着大量的应用。由于硅材料的温漂特性以及加工工艺误差会导致MIMU精度不高和工作不稳定等问题,因此有关对于MIMU中的惯性传感器性能补偿研究是近期的热点之一;另一方面,对于微惯性导航单元而言,姿态信息是惯导解算的核心部分,仅靠惯性传感器获取的信息来解算导航中的姿态时,很容易产生积累误差导致精确度降低,研究多传感器姿态融合技术的改进也是提高精度的有效途径。综合以上因素,本文围绕惯性传感器的误差补偿和姿态融合技术展开研究。首先,在充分研究惯性传感器工作原理的基础上,本文介绍了惯性器件的确定性误差模型,并详细推导了完整的随机误差AR模型建模过程;在充分研究卡尔曼滤波原理的基础上,分析低动态环境下的状态方程和量测方程,提出了一种基于线性状态方程的简化模型卡尔曼滤波算法,将状态方程和量测方程简化后直接计算估计均方误差,避免了复杂的矩阵求逆和分解运算,解决了卡尔曼滤波算法实时性不高的问题。为了验证...
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２清华大学设计的ＭＥＭＳ惯性测量单元结构示意图??１．２．２?ＭＥＭＳ
模型??的建立和ＭＩＭＵ全温标定实验对ＭＥＭＳ惯性器件的误差进行精确标定与补偿，实验结果??Ｍ表明加速度计补偿后零偏稳定性从５０ｕｇ降低到８．?２ｕｇ，陀螺仪的零偏稳定性从??￣＞???；??????４?Ｉ?＇』?！?Ｉ?４??丨－－??■＊ｒ?１?ｉ?１?Ｉ?＊?４??‘?Ｊ—二．?．１?＿?■?■?．?ｉ??、?＇－ｉｂ?？＊：＇?？？?？?ｉ＾ｎ?９ｒ?ｘｔｒ?ｙｖｎ?￣ａｒ??（ａ）滤波前?（ｂ）滤波后??图１－３哈尔滨工业大学实验随机误差补偿结果％??４??
微惯导单元的误差补偿及信息融合技术研究?第一章绪论??９６．３°?／ｈ降低到１８．６°?／ｈ。测试结果如图１－３所示。北京航天航空大学［２°］采用动态??Ａｌｌａｎ方差对不同速率的ＭＥＭＳ陀螺仪动态输出数据分析，相比常规的Ａｌｌａｎ方差随??机误差分析法，动态Ａｌｌａｎ方差法除可以实现对陀螺的误差项分析外，还可以表征误??差信号随时间的变化趋势。清华大学在分析加速度计随机漂移统计特性的基础上，提??出了一种基于梯度径向基（ＲＢＦ）神经网络对陀螺仪输出随机误差建模的方法，实验??［２ｎ表明，相对于普通Ａｌｌａｎ方差分析，经补偿后的噪声均值和均方差要降低１５％。??１〇°；??＾??：??Ｋ?Ｉ??方ｔ?：??ｒ?■?？．?：??ｌｉ〇－２ｒ??ｊ?ｊ??１〇＇３??１??１０＊２?１０＇１?１０°?１０１?１０２?１０３??相关时间对数ｒ??图１－４北京航天航空大学动态Ａｌｌａｎ方差分析法随机误差补偿结果［２°］??１．２．３多传感器信息融合技术??在ＭＥＭＳ惯性器件信息融合算法研究方面，国外的研究起步较早。１９８８年，美国??国防部将传感器信息融合技术列为２０世纪９０年代重点研宄开发的２０项关键技术之??一［２２］。１９９８年成立了国际信息融合学会，每年举行一次信息融合国际学术大会１２３］。??２０１３年，美国Ｄｒａｐｅｒ公司提出了一款低功耗的ＩＮＳ／ＧＰＳ组合导航系统Ｍ，利用卡尔??曼滤波算法将惯导信息与ＧＰＳ深组合，实验结果表明位置误差在１％以内，样机如图??卜４所示。２０１４年，英国Ｎｏｔｔｉｎｇｈａｍ大学在ＭＥＭＳ－ＩＮＳ／ＧＰＳ的组合导航中应用了自适??应
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Allan方差的MEMS陀螺仪随机误差分析方法[J]. 蒋孝勇,张晓峰,李孟委. 测试技术学报. 2017(03)
[2]基于误差四元数与Kalman滤波的行人惯导系统设计[J]. 唐雷,张哲琛,赵忠华,王红雨. 电子设计工程. 2017(04)
[3]速度自适应约束卡尔曼滤波方法[J]. 周承松,彭竞,刘文祥,王飞雪. 传感技术学报. 2016(08)
[4]基于九轴MEMS定位系统误差分析与补偿算法研究[J]. 张港,朱勤翔,郭薇,杨晓辉. 传感器与微系统. 2016(06)
[5]基于惯性传感器MPU6050的滤波算法研究[J]. 傅忠云,朱海霞,孙金秋,刘文波. 压电与声光. 2015(05)
[6]基于自适应显式互补滤波的姿态解算方法[J]. 孙金秋,游有鹏,傅忠云. 测控技术. 2015(04)
[7]基于MEMS惯性传感器的行人航位推算系统[J]. 李金凤,王庆辉,刘晓梅,曹顺,张慕远. 传感器与微系统. 2014(12)
[8]神经网络辅助的GPS/MEMS-INS组合导航算法[J]. 刘庆元,郝立良,黄书捷,朱山昱. 测绘科学技术学报. 2014(04)
[9]典型弹道下的火箭弹MEMS-INS/GNSS组合导航姿态误差可观性分析[J]. 董进龙,莫波. 兵工学报. 2014(06)
[10]一种新的自适应UKF算法及其在组合导航中的应用[J]. 胡高歌,高社生,赵岩. 中国惯性技术学报. 2014(03)
博士论文
[1]GPS和捷联惯导组合导航新方法及系统误差补偿方案研究[D]. 韩松来.国防科学技术大学 2010
[2]车载自主定位定向系统研究[D]. 严恭敏.西北工业大学 2006
硕士论文
[1]低成本MEMS陀螺仪随机漂移误差的建模及修正[D]. 熊必凤.西南大学 2017
[2]基于MEMS低成本微型捷联惯性导航系统研究[D]. 王守宽.北京理工大学 2016
[3]微惯性测量单元标定技术及误差补偿研究[D]. 韦宗喜.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[4]微机械电容式加速度计自动标定及性能参数测试系统的研究[D]. 耿赛柳.苏州大学 2013
[5]基于机器人及军用导航系统的MEMS陀螺仪性能研究[D]. 梁丽娟.北京交通大学 2011
本文编号：2914579
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２清华大学设计的ＭＥＭＳ惯性测量单元结构示意图??１．２．２?ＭＥＭＳ
模型??的建立和ＭＩＭＵ全温标定实验对ＭＥＭＳ惯性器件的误差进行精确标定与补偿，实验结果??Ｍ表明加速度计补偿后零偏稳定性从５０ｕｇ降低到８．?２ｕｇ，陀螺仪的零偏稳定性从??￣＞???；??????４?Ｉ?＇』?！?Ｉ?４??丨－－??■＊ｒ?１?ｉ?１?Ｉ?＊?４??‘?Ｊ—二．?．１?＿?■?■?．?ｉ??、?＇－ｉｂ?？＊：＇?？？?？?ｉ＾ｎ?９ｒ?ｘｔｒ?ｙｖｎ?￣ａｒ??（ａ）滤波前?（ｂ）滤波后??图１－３哈尔滨工业大学实验随机误差补偿结果％??４??
微惯导单元的误差补偿及信息融合技术研究?第一章绪论??９６．３°?／ｈ降低到１８．６°?／ｈ。测试结果如图１－３所示。北京航天航空大学［２°］采用动态??Ａｌｌａｎ方差对不同速率的ＭＥＭＳ陀螺仪动态输出数据分析，相比常规的Ａｌｌａｎ方差随??机误差分析法，动态Ａｌｌａｎ方差法除可以实现对陀螺的误差项分析外，还可以表征误??差信号随时间的变化趋势。清华大学在分析加速度计随机漂移统计特性的基础上，提??出了一种基于梯度径向基（ＲＢＦ）神经网络对陀螺仪输出随机误差建模的方法，实验??［２ｎ表明，相对于普通Ａｌｌａｎ方差分析，经补偿后的噪声均值和均方差要降低１５％。??１〇°；??＾??：??Ｋ?Ｉ??方ｔ?：??ｒ?■?？．?：??ｌｉ〇－２ｒ??ｊ?ｊ??１〇＇３??１??１０＊２?１０＇１?１０°?１０１?１０２?１０３??相关时间对数ｒ??图１－４北京航天航空大学动态Ａｌｌａｎ方差分析法随机误差补偿结果［２°］??１．２．３多传感器信息融合技术??在ＭＥＭＳ惯性器件信息融合算法研究方面，国外的研究起步较早。１９８８年，美国??国防部将传感器信息融合技术列为２０世纪９０年代重点研宄开发的２０项关键技术之??一［２２］。１９９８年成立了国际信息融合学会，每年举行一次信息融合国际学术大会１２３］。??２０１３年，美国Ｄｒａｐｅｒ公司提出了一款低功耗的ＩＮＳ／ＧＰＳ组合导航系统Ｍ，利用卡尔??曼滤波算法将惯导信息与ＧＰＳ深组合，实验结果表明位置误差在１％以内，样机如图??卜４所示。２０１４年，英国Ｎｏｔｔｉｎｇｈａｍ大学在ＭＥＭＳ－ＩＮＳ／ＧＰＳ的组合导航中应用了自适??应
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Allan方差的MEMS陀螺仪随机误差分析方法[J]. 蒋孝勇,张晓峰,李孟委. 测试技术学报. 2017(03)
[2]基于误差四元数与Kalman滤波的行人惯导系统设计[J]. 唐雷,张哲琛,赵忠华,王红雨. 电子设计工程. 2017(04)
[3]速度自适应约束卡尔曼滤波方法[J]. 周承松,彭竞,刘文祥,王飞雪. 传感技术学报. 2016(08)
[4]基于九轴MEMS定位系统误差分析与补偿算法研究[J]. 张港,朱勤翔,郭薇,杨晓辉. 传感器与微系统. 2016(06)
[5]基于惯性传感器MPU6050的滤波算法研究[J]. 傅忠云,朱海霞,孙金秋,刘文波. 压电与声光. 2015(05)
[6]基于自适应显式互补滤波的姿态解算方法[J]. 孙金秋,游有鹏,傅忠云. 测控技术. 2015(04)
[7]基于MEMS惯性传感器的行人航位推算系统[J]. 李金凤,王庆辉,刘晓梅,曹顺,张慕远. 传感器与微系统. 2014(12)
[8]神经网络辅助的GPS/MEMS-INS组合导航算法[J]. 刘庆元,郝立良,黄书捷,朱山昱. 测绘科学技术学报. 2014(04)
[9]典型弹道下的火箭弹MEMS-INS/GNSS组合导航姿态误差可观性分析[J]. 董进龙,莫波. 兵工学报. 2014(06)
[10]一种新的自适应UKF算法及其在组合导航中的应用[J]. 胡高歌,高社生,赵岩. 中国惯性技术学报. 2014(03)
博士论文
[1]GPS和捷联惯导组合导航新方法及系统误差补偿方案研究[D]. 韩松来.国防科学技术大学 2010
[2]车载自主定位定向系统研究[D]. 严恭敏.西北工业大学 2006
硕士论文
[1]低成本MEMS陀螺仪随机漂移误差的建模及修正[D]. 熊必凤.西南大学 2017
[2]基于MEMS低成本微型捷联惯性导航系统研究[D]. 王守宽.北京理工大学 2016
[3]微惯性测量单元标定技术及误差补偿研究[D]. 韦宗喜.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[4]微机械电容式加速度计自动标定及性能参数测试系统的研究[D]. 耿赛柳.苏州大学 2013
[5]基于机器人及军用导航系统的MEMS陀螺仪性能研究[D]. 梁丽娟.北京交通大学 2011
本文编号：2914579
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