微机械惯性测量系统算法研究

论文摘要

本文以微机械惯性器件为测量元件,开展微小型惯性测量系统的研究。MEMS惯性器件在体积和成本上的优点较为突出,但在分辨率和精度上存在着很大的不足。论文从实际需要出发,以MEMS惯性器件为测量元件,配合必要的信号采集电路和微处理器完成低成本的惯性测量系统的设计。姿态算法研究。分析了圆锥误差,研究基于四元数和基于旋转矢量的姿态更新算法,推导了优化的圆锥补偿算法。通过仿真分析了各种算法的性能优劣。速度算法研究。首先给出了常规比力转换下,速度误差曲线图,结果表明比力转换精度不够理想。然后在典型划船环境下,对划船算法进行优化,使它的误差漂移率达到最小。仿真比较了划船运动下修正前后速度误差曲线计算精度。最后,以MEMS陀螺仪和加速度计为基础,对有控火箭弹惯性测量计算机系统的硬件、软件部分进行了设计,结果表明满足了系统设计的精度要求,可以将MEMS器件应用到有控火箭弹上。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 微惯性器件特点
• 1.3 微惯性器件的发展
• 1.4 微惯性测量系统的发展
• 1.5 论文的主要工作
• 第2章 微惯性测量系统的基本原理
• 2.1 硅微型惯性测量系统组成
• 2.2 微惯性测量系统的基本工作原理
• 2.2.1 常用坐标系的定义
• 2.2.2 姿态矩阵
• 2.3 本章小结
• 第3章 姿态更新算法及其仿真
• 3.1 几种常用的捷联姿态算法及其评价
• 3.1.1 欧拉角法
• 3.1.2 方向余弦法
• 3.1.3 四元数法
• 3.1.4 方法评价
• 3.2 旋转矢量及其与四元数的关系
• 3.2.1 旋转矢量的概念
• 3.2.2 旋转矢量与四元数
• 3.3 旋转矢量微分方程
• 3.3.1 旋转矢量微分方程的推导
• 3.3.2 角速度与旋转矢量的重要关系式
• 3.4 捷联算法动态误差分析
• 3.4.1 四元数微分方程与不可交换性误差
• 3.4.2 旋转矢量微分方程与动态误差
• 3.5 算法动态误差的抑制
• 3.5.1 旋转矢量误差估计模型
• 3.5.2 基于误差估计模型的捷联算法推导
• 3.5.3 典型圆锥环境下算法的数字仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 速度更新算法及其仿真
• 4.1 比力转换算法
• 4.2 速度更新算法
• 4.2.1 比力积分转换算法推导
• 4.2.2 动态修正项的分析
• 4.2.3 划船算法优化
• 4.2.4 划船运动下的仿真
• 4.3 本章小结
• 第5章 火箭弹惯性测量计算机系统设计
• 5.1 引言
• 5.2 系统的总体设计方案
• 5.2.1 系统的硬件设计方案
• 5.2.2 系统的软件设计方案
• 5.3 系统的硬件设计
• 5.3.1 MEMS器件的选择
• 5.3.2 微处理器
• 5.3.3 滤波器设计
• 5.3.4 程控增益放大器设计
• 5.3.5 A/D转换器设计
• 5.3.6 温度数据采集电路设计
• 5.3.7 电源模块设计
• 5.4 系统的软件设计
• 5.4.1 姿态更新算法
• 5.4.2 速度更新算法
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢