基于MTi微惯性航姿系统研究

论文摘要

近年来,随着MEMS技术的发展,微惯性传感器及测量组合单元成为国内外学者的研究热点。用微机械惯性传感器构建的航姿态系统,大大降低了航姿系统的成本和体积,在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、通讯、军事以及几乎人们能接触到的所有领域都有十分广阔的应用前景。因而有必要对其展开研究。本文所研究的微惯性航姿系统,由MTi微惯性测量组合系统(微机械陀螺、微机械加速度计、三轴磁强计)和计算机处理系统组成。该系统利用加速度计和磁强计对地球重力场和地磁场的测量值来补偿陀螺的零偏,利用陀螺来保证系统具有动态加速度时的稳定性,通过Kalman滤波器给出了姿态的最优估计,即保证了姿态测量的精度,又保持了惯性系统自主工作的特点。本文主要的研究内容:1.通过构建对航姿系统的构成方法的分析比较,确定了由三只微机械陀螺、三只微机械加速度计组成和三轴磁强计构成航姿系统。应用该方案MTi微惯性测量组合系统无须引入外界参考信息,只需分离MTi微惯性测量组合系统的传感器融合的数据包得出各传感器输出的原始数据。2.分析了微惯性航姿系统的误差,根据各传感器的各项性能对航姿系统精度的影响,以下参数必须进行标定:零位、标度因子、安装误差、温度补偿中零位的温漂。建立了传感器的误差模型,确定了陀螺仪速率标定、加速度计的位置标定、磁强计的标定和温度特性测试的实验方法和数据处理方法。然后通过软件方法进行补偿,从而达到提高系统精度的目的。3.MTi输出的原始数据补偿后,根据捷联算法计算出载体姿态。由于MEMS陀螺是角速率陀螺,算法上采用四元数姿态表示法,在载体坐标系中构造姿态Kalman滤波器的观测修正方程,对陀螺零偏进行了实时估计和补偿。研究结果表明使用MTi微惯性测量组合系统构建捷联式航向、姿态测量系统具有体积小、成本低、精度高等优点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.1.1 MTi微惯性航姿系统的内涵
• 1.1.2 研究目的及意义
• 1.2 国内外相关技术的发展状况
• 1.2.1 微惯性测量系统国内外的研制情况
• 1.2.2 航姿系统的国内外的研究情况
• 1.3 本篇论文的主要内容
• 第2章 微惯性航姿系统方案及工作原理
• 2.1 方案选择
• 2.2 MTi组件的工作原理及性能指标
• 2.2.1 微机械陀螺仪
• 2.2.2 微机械加速度计
• 2.2.3 三轴磁强计工作原理
• 2.3 MTi微惯性测量系统原始数据获取
• 2.4 MTi微惯性航姿系统的工作原理
• 2.4.1 航姿系统的参数说明
• 2.4.2 常用坐标系
• 2.4.3 常用坐标系之间的相互关系
• 2.5 本章小结
• 第3章 航姿系统误差分析及标定
• 3.1 航向姿态测量系统误差的分类
• 3.2 MTi惯性组件的误差模型
• 3.2.1 陀螺的误差模型
• 3.2.2 加速度计的误差模型
• 3.3 MTi惯性组件标定方法
• 3.3.1 MEMS陀螺仪的速率标定
• 3.3.2 MEMS加速度计的位置标定
• 3.4 磁强计的标定方法
• 3.4.1 磁偏角的标定
• 3.4.2 磁倾角的标定
• 3.5 温度特性的标定
• 3.6 本章小结
• 第4章 微惯性航姿系统算法
• 4.1 姿态角的定义及真值
• 4.1.1 姿态角的定义
• 4.1.2 姿态矩阵及姿态角的真值
• 4.2 捷联惯导系统的姿态更新
• 4.2.1 角速度ω的计算
• 4.2.2 欧拉角法
• 4.2.3 方向余弦法
• 4.2.4 四元数法
• 4.2.5 圆锥误差
• 4.3 算法推导
• 4.3.1 捷联姿态算法
• 4.3.2 初值估计
• 4.3.3 Kalman滤波器方程推导
• 4.3.4 算法流程
• 4.4 算法特点及讨论
• 4.4.1 陀螺零偏的实时估计
• 4.4.2 观测方程的坐标系选择
• 4.5 本章总结
• 第5章 系统测试
• 5.1 MTi惯性组件的误差补偿系数仿真
• 5.1.1 陀螺仪的速率标定实验测试结果
• 5.1.2 加速度计的标定实验测试结果
• 5.2 温度标定结果
• 5.3 误差补偿
• 5.4 MTi微惯性航姿系统仿真
• 5.4.1 静态实验
• 5.4.2 姿态跟踪
• 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