低成本MEMS陀螺儀隨機(jī)漂移誤差的建模及修正.pdf

1、近年來(lái)，MEMS陀螺儀作為慣性導(dǎo)航技術(shù)中十分重要的部分，由于其具有成本低、尺寸小、重量輕、集成度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在慣性導(dǎo)航、工業(yè)控制及電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。盡管與傳統(tǒng)類型陀螺儀相比，MEMS陀螺儀具有諸多優(yōu)勢(shì)，但由于制造工藝和設(shè)計(jì)水平等原因，其測(cè)量精度相對(duì)較低，往往無(wú)法滿足實(shí)際使用需求，極大的制約了MEMS陀螺儀的發(fā)展和應(yīng)用。尤其對(duì)于陀螺儀的隨機(jī)漂移誤差，由于其形成的機(jī)理非常復(fù)雜，沒(méi)有明確的規(guī)律且隨外界環(huán)境變化而變化，不能用常規(guī)

2、的方法補(bǔ)償修正，并且無(wú)法完全消除，是限制MEMS陀螺精度提高的主要因素。有鑒于此，本文以目前較常用的低成本 MEMS慣性器件MPU-6050中的陀螺儀為研究對(duì)象，開展了對(duì)MEMS陀螺儀隨機(jī)漂移誤差建模分析與修正技術(shù)的研究，本文的主要研究?jī)?nèi)容及取得結(jié)論如下：
　　首先，為采集陀螺儀的靜態(tài)漂移數(shù)據(jù)，以STM32F103C8T6為核心處理器設(shè)計(jì)并構(gòu)建了MEMS陀螺儀誤差數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MPU-6050中陀螺儀靜態(tài)漂移數(shù)據(jù)的采集。<

3、br>　　其次，在對(duì)MEMS陀螺儀隨機(jī)漂移誤差建模與濾波技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，研究了MEMS陀螺儀靜態(tài)漂移誤差產(chǎn)生的機(jī)理及隨機(jī)漂移誤差的組成，并采用Allan方差法辨識(shí)已采集到的MEMS陀螺儀靜態(tài)漂移誤差。誤差分析結(jié)果表明，該陀螺儀的靜態(tài)漂移誤差主要由零偏不穩(wěn)定性、速率隨機(jī)游走及速率斜坡三部分噪聲構(gòu)成。
　　再次，對(duì)MEMS陀螺儀靜態(tài)漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和數(shù)據(jù)檢驗(yàn)以得到平穩(wěn)隨機(jī)的誤差數(shù)據(jù)，然后采用AIC準(zhǔn)則對(duì)模型

4、定階并用Yule-Walker方程確定模型參數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立陀螺儀隨機(jī)漂移誤差的時(shí)間序列模型，結(jié)合誤差模型設(shè)計(jì)了卡爾曼濾波器，并對(duì)誤差數(shù)據(jù)濾波。對(duì)比濾波前后各項(xiàng)指標(biāo)，經(jīng)卡爾曼濾波后的MEMS陀螺儀隨機(jī)漂移誤差數(shù)據(jù)的方差下降為濾波前的11.7%，影響MEMS陀螺儀精度的主要隨機(jī)誤差中，零偏不穩(wěn)定性噪聲系數(shù)減少了68.6%，速率隨機(jī)游走噪聲系數(shù)減少了67.7%，速率斜坡噪聲系數(shù)減少了68.0%，表明卡爾曼濾波能有效的減少M(fèi)EMS陀螺儀隨機(jī)

5、漂移誤差。
　　最后，針對(duì)時(shí)間序列和卡爾曼濾波對(duì)MEMS隨機(jī)漂移數(shù)據(jù)處理中的不足，采用Singer運(yùn)動(dòng)模型建立MEMS隨機(jī)漂移誤差的模型，結(jié)合粒子-卡爾曼組合濾波的方法處理零均值化后的陀螺隨機(jī)漂移誤差數(shù)據(jù)。比較濾波前后各項(xiàng)指標(biāo)，經(jīng)粒子-卡爾曼組合濾波后誤差數(shù)據(jù)的方差下降為濾波前的1.2%，影響MEMS陀螺儀精度的主要隨機(jī)誤差中，零偏不穩(wěn)定性噪聲系數(shù)減少了72.8%，速率隨機(jī)游走噪聲下降了76.2%，速率斜坡噪聲下降了74.6%，表