无陀螺惯性测量单元关键技术的研究

发布时间：2019-10-23 16:29

【摘要】：无陀螺惯性测量单元相比于有陀螺惯性测量单元,具有低成本、高可靠性和抗高冲击的优势,受到广泛的关注和研究。加速度计的配置方案、误差的建模与分析、载体运动参数的解算算法,是无陀螺惯性测量单元的关键技术,对于获取高精度的比力和角速度信息、推进无陀螺惯性测量单元和无陀螺惯性导航系统走向工程实用化具有重要作用。本论文研究以上无陀螺惯性测量单元的关键技术,对无陀螺惯性测量单元的配置方案进行设计和研究,对设计的配置方案进行误差建模与分析,并提出无陀螺惯性测量单元系统状态的估计算法,提高载体运动参数的解算精度,以期促进无陀螺惯性测量技术的发展和应用,取得了以下研究成果：对无陀螺惯性测量单元配置方案的设计进行了系统的研究,设计四种不同的十二加速度计配置方案,解决了载体运动参数解算过程中的误差累积和奇异性问题,并提出了通过配置矩阵的条件数,来对不同的十二加速度计配置方案进行评估。分析了无陀螺惯性测量单元的两类误差源——测量误差和配置误差对加速度计输出的影响,分别建立了测量误差和配置误差单独作用时的加速度计输出误差模型,同时也建立了两类误差源综合作用时的加速度计输出综合误差模型,为实际工程实现中无陀螺惯性测量单元的误差标定和补偿提供了理论基础。同时还分析了加速度计随机误差对上述四种不同十二加速度计无陀螺惯性测量单元的载体运动参数解算的影响,分析结果验证了上述十二加速度计配置方案评估标准的有效性。对无陀螺惯性测量单元的载体运动参数解算算法进行了研究,以上述四种不同的十二加速度计无陀螺惯性测量单元为研究对象,设计了两种不同的非线性卡尔曼滤波算法——扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波。利用上述两种状态估计算法对载体运动参数进行估计,从仿真结果可以看出,两种算法都可以对载体运动参数进行正确地估计,并且都减小了不同的配置方案对解算精度的影响;无迹卡尔曼滤波算法对载体运动参数的解算精度要稍稍优于扩展卡尔曼滤波算法；四种配置方案中配置方案D表现出最好的精度性能,这与配置方案的评估结果以及误差分析的结论是一致的,进一步验证了十二加速度计配置方案评估标准的有效性；特别地,对配置方案D采用无迹卡尔曼滤波算法进行载体运动参数的解算,当使用输出噪声标准差为0.1m/s2的消费电子级加速度计时,解算得到的角速度精度为±0.4%FS,比消费电子级陀螺仪的精度高一个数量级。样机实验结果进一步验证了两种状态估计算法的有效性,并且样机实验得到的角速度估计的RMS误差与仿真实验结果是一致的。
【图文】：

刚体,固定轴,轴转动,角速度

W ２．１刚体沿固定轴的转动逡逑，，如图２．１所示，随着刚体的ｒ的圆形路径运动，户点的位置下：逡逑ｖ邋＝阳ｘｉ＊ｐ轴转动的角速度，！＞为从转动尸点的速度Ｖ的方向与户点运导，可Ｗ得到Ｐ点的加速度ａ：逡逑ａ邋＝些＝些＂Ｐ＋化Ｘ电ｄｔ邋ｄｔ逦ｄｔ逡逑ｃｂ可ｔＵ用下式表示：

刚体,刚体转动,角速度

０逡逑ｉ逦图２．２刚体绕定点的转动逡逑刚体绕定点的转动如图２．２所示。刚体绕固定点０转动，尸点为转动刚体上的逡逑ｒ逡逑＾逦Ｉ任意一点，１＊为从０点指向／＼点的矢径。＜0为刚体转动的角速度，６为刚体转动的逡逑ｉ逦角加速度，反映角速度大小和方向的变化。通常情况下，角加速度《和角速度0＞的逡逑１逡逑方向并不一致。逡逑当指定某一时刻刚体转动的角速度＜０时，采用与上节中刚体绕定轴转动相同的逡逑分析方法，可将Ｐ的速度Ｖ可Ｗ通过向量叉积表示如下；逡逑Ｖ邋＝邋ｃＤｘｒ逦（２－６）逡逑同样地，通过对式（２－６）求时间偏导，可Ｗ得到户点的加速度ａ如下；逡逑ａ邋＝邋ｃｂｘｒ邋＋的邋ｘ（仍邋ｘｒ）逦（２－７）逡逑２．２．３刚体的空间运动逡逑刚体在空间中的一般运动情况通常是在上小节中绕定点转动的基础上，附加有逡逑一个平移运动，如图２．３所示。刚体转动的角速度和角加速度分别为四和？，如果逡逑
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN96

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