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基于MEMS陀螺的惯性测量单元的标定与应用

作　者: 王兆密
导　师: 王建华
学　校: 江苏科技大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 微机械惯性测量单元标定随机模型垂直陀螺仪
分类号: V241.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

基于MEMS (Micro Electronic Mechanical System,微电子机械系统)惯性传感器的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)以形状尺寸小、寿命长、耐冲击和可靠性高等特征,在航空航天、精密仪器仪表、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力,并受到世界各国的高度重视,而且已经被列为21世纪惯性技术的关键技术之一。本论文围绕MEMS陀螺的测试、惯性测量单元的标定和陀螺随机模型的研究以及一种姿态测量系统进行了研究。随着MEMS技术的不断成熟,MEMS陀螺有替代中低精度的光纤陀螺的趋势,论文中首先对STIM202陀螺进行性能测试,主要包括比例因子、比例因子非线性、零偏、零偏稳定性和零偏重复性。然后对基于高精度的STIM202陀螺的惯性测量单元进行标定,由于MEMS陀螺温度效应比较明显,一种有效的温度补偿措施显得尤为重要。本文给出了陀螺和加速度计的误差模型,在-40℃～+70℃温度区间内,采用陀螺和加速度计同时标定的方法对惯性测量单元标定,在不失精度的情况下节省了大量的标定时间,为批量化生产奠定基础。MEMS陀螺的随机噪声严重的影响了陀螺的精度,其噪声项主要有:量化噪声、角度随机游走、偏值不稳定性、速率随机游走和速率斜坡。本文首先采用Allan方差法分析陀螺噪声源,评估陀螺的性能,然后在建立时间序列模型的基础上设计了卡尔曼滤波器,通过卡尔曼滤波验证了采用此模型能够较好的滤除噪声,最后再通过Allan方差法分析滤波后的陀螺噪声源。在跑车实验中,通过垂直陀螺仪(Vertical Gyroscope,VG)与激光惯性组合导航系统的对比试验,表明垂直陀螺仪可达到一定的精度,满足了在中低精度领域的应用。最后对全文的工作进行了总结、并就今后的研究工作内容作了展望。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-14
第1章绪论  14-23
  1.1 课题研究的背景和意义  14-18
  1.2 惯性测量单元国内外发展状况  18-21
  1.3 本课题的主要研究内容  21-23
第2章 MEMS 惯性仪表及性能指标  23-32
  2.1 MEMS 陀螺仪的分类及原理  23-26
    2.1.1 MEMS 陀螺仪的分类  23-24
    2.1.2 MEMS 陀螺仪的原理  24-25
    2.1.3 MEMS 陀螺仪的结构  25-26
  2.2 MEMS 陀螺性能指标  26-28
    2.2.1 陀螺仪标度因数  26-27
    2.2.2 阈值和分辨率  27
    2.2.3 最大输入角速率  27
    2.2.4 零偏  27
    2.2.5 随机游走系数  27
    2.2.6 带宽  27
    2.2.7 STIM202 陀螺仪  27-28
  2.3 MEMS 加速度计  28-31
    2.3.1 微机械电容式加速度  28-30
    2.3.2 MS8000 系列加速度计  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章 MEMS 陀螺的测试与惯性测量单元的标定  32-48
  3.1 MEMS 陀螺主要性能指标测试  32-35
    3.1.1 MEMS 陀螺标度因数测试  32-33
    3.1.2 MEMS 陀螺标度因数非线性测试  33
    3.1.3 MEMS 陀螺零偏测试  33-34
    3.1.4 MEMS 陀螺零偏稳定性测试  34
    3.1.5 MEMS 陀螺零偏重复性测试  34-35
  3.2 STIM202 的性能指标测试结果  35-36
    3.2.1 STIM202 比例因子及非线性测试  35-36
    3.2.2 STIM202 零偏稳定性和零偏重复性测试  36
  3.3 惯性测量单元的标定  36-47
    3.3.1 误差模型及常温标定方法  36-38
    3.3.2 惯性测量单元的高低温标定  38-39
    3.3.3 惯性测量单元标定结果及分析  39-46
    3.3.4 惯性测量单元性能分析  46-47
  3.4 本章小结  47-48
第4章 MEMS 陀螺随机误差模型的研究  48-62
  4.1 Allan 方差法  48-52
    4.1.1 Allan 方差法原理  48-49
    4.1.2 Allan 方差法的估算精度  49
    4.1.3 MEMS 陀螺噪声项分析  49-50
    4.1.4 Allan 方差法分析MEMS 陀螺性能  50-52
  4.2 时间序列分析  52-53
    4.2.1 时间序列分析的原理  52
    4.2.2 时间序列分析的步骤  52-53
    4.2.3 时间序列分析的主要用途  53
  4.3 时间序列建模  53-58
    4.3.1 自回归滑动平均模型——ARMA(n,m)模型  53-54
    4.3.2 时间序列模型的建立  54-56
    4.3.3 时间序列模型的建模实例  56-58
  4.4 卡尔曼滤波算法  58-61
    4.4.1 卡尔曼滤波的特点  58-59
    4.4.2 离散型卡尔曼滤波基本方程  59-60
    4.4.3 卡尔曼滤波实例  60-61
  4.5 本章小结  61-62
第5章惯性测量单元的应用  62-71
  5.1 捷联惯性导航系统  62-64
    5.1.1 坐标系的定义  62
    5.1.2 捷联姿态解算  62-63
    5.1.3 速度和位置的确定  63-64
  5.2 垂直陀螺仪与激光惯性组合导航系统  64-66
    5.2.1 垂直陀螺仪  64-65
    5.2.2 激光惯性组合导航系统  65-66
  5.3 跑车实验  66-70
  5.4 本章小结  70-71
结论  71-74
参考文献  74-78
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  78-79
致谢  79

基于MEMS陀螺的惯性测量单元的标定与应用

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