基于MEMS傳感技術(shù)的航姿系統(tǒng)算法研究.pdf

1、二十一世紀的高科技水平促進了微電子技術(shù)和微機械加工工藝的進步，在其推動下MEMS慣性傳感器應(yīng)運而生并且逐漸成為世界慣性領(lǐng)域中的研究熱點。以MEMS慣性測量單元為主體的航姿參考系統(tǒng)以其微型化、輕質(zhì)量、低成本等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于機器人、無人機、汽車、艦船、潛艇、通訊設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域。
　　微慣性系統(tǒng)由于其低精度和誤差隨時間累積等因素導(dǎo)致系統(tǒng)誤差大且易發(fā)散，因此它不能夠獨立完成姿態(tài)測量工作。本研究在MEMS慣性測量單元的基礎(chǔ)上以磁強

2、計、GPS為輔助，融合三者信息形成優(yōu)勢互補的航姿系統(tǒng)。
　　本文首先介紹了航姿系統(tǒng)中常用的參考坐標系以及磁強計測量原理，在此基礎(chǔ)上研究了利用MEMS加速度計和磁強計輸出信息進行解析式初始對準的方法。此外，介紹了MEMS航姿系統(tǒng)的多種姿態(tài)更新算法并對各個方法進行對比分析，最終選擇四元數(shù)法進行姿態(tài)更新。
　　在基本理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上本文對MEMS陀螺儀、MEMS加速度計以及磁強計進行誤差分析并且分別建立了MEMS陀螺儀輸出誤差模型

3、、MEMS加速度計輸出誤差模型以及磁強計輸出誤差模型。然后，根據(jù)各誤差模型分別設(shè)計了陀螺儀角增量標定方案、加速度計六位置標定方案，同時研究了基于橢球假設(shè)的磁強計誤差標定方案，進而計算出各器件誤差參數(shù)并進行相應(yīng)補償，為后續(xù)研究奠定堅實的基礎(chǔ)。
　　在航姿系統(tǒng)算法研究過程中首先建立了基于大失準角的MEMS慣性系統(tǒng)非線性誤差方程，在有GPS信號的情況下，以針對非線性系統(tǒng)的EKF濾波算法進行MIMU、GPS、磁強計三者的信息融合，在此基礎(chǔ)

4、上利用GPS位置、速度和磁強計解算的磁航向與慣性系統(tǒng)自身解算的位置、速度、航向之差為 EKF濾波的觀測量，進而估計系統(tǒng)姿態(tài)，之后通過仿真驗證本算法的有效性。
　　在無GPS信號情況下，利用改進的基于四元數(shù)誤差的自適應(yīng)卡爾曼濾波算法實現(xiàn)MIMU、磁強計組合姿態(tài)估計。利用陀螺儀進行姿態(tài)解算的同時以加速度計和磁強計為輔助，提出了基于加速度計和磁強計的二階量測更新算法，以及針對外部加速度的自適應(yīng)算法，并且通過Matlab仿真驗證了本算法的