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MEMS惯性测量单元自动校准算法研究与实现

作　者: 邓文涛
导　师: 吴晓军；汪滔
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: MEMS传感器温漂补偿不正交误差误差模型自动化校准
分类号: TP211.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

MEMS(Micro-electromechanical Systems)惯性测量单元(IMU)具有体积小、测量范围大、可靠性高和易于实现数字化等优点,目前已经被广泛应用到汽车电子、精密仪器、航空航天等技术领域。但是,由于其测量精度较低、信号噪声较大、对外界环境(如温度、压力等)敏感等,因此就需要采取一些必要的措施来提高其精度。一方面,可以从制造工艺上优化机械结构设计,提高芯片信号处理电路性能及电磁屏蔽性能等;另一方面,通过分析它的输出数据,建立合适的误差模型,采用误差补偿技术减小其误差。本文以DJI公司MEMS IMU为研究对象,对其进行了误差分析、建模和自动化校准补偿研究。首先,介绍了IMU在捷联惯导系统中的应用,分析了IMU的性能对捷联惯性导航系统导航精度的影响。其次,从机械构造、力学原理上对IMU中加速度计和陀螺仪测量原理进行了分析,指出了MEMS IMU产生误差的原因,建立了主要的确定性误差数学模型。最后,重点阐述了如何实现IMU确定性误差高效的自动化校准补偿过程。本文中对IMU温漂的校准,在分析了IMU温漂特性基础上提出在全温度校准周期内采用小周期循环方式。结合本文设计的45°倾斜式旋转台,可以同时对加速度计和陀螺温度数据进行采集。这种方式使得一般需要进行至少两次的全温度测试周期减小了一半。对于IMU中加速度计和陀螺三轴不正交误差,本文引入误差矩阵方法来进行校准。在标准的水平转台上,采集IMU六个面的平放与转动数据,然后通过与理想的正交矩阵运算得到各传感器的安装误差矩阵。另外,对温漂误差采用了多项式拟合方式进行模型参数辨识,并考虑到补偿算法的实际应用性,还对辨识结果做了进一步线性分段和表格化处理,使得整个校准方案更符合实际应用。整个系统以CAN总线作为上位机与IMU信息交换通道,以自定义通信协议进行通信。在PC机端,由Labview软件进行数据的采集、处理、显示和对程序的控制,实现整个校准系统自动化运作。最后,对系统的校准结果进行了验证对比,结果表明本设计在MEMS IMU校准方面的可行性及实用性。由于设备简单、操作方便、校准周期短效率高,因此可以很好的应用到相关工业领域。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-12
  1.1 MEMS 惯性技术发展现状  8-9
  1.2 课题研究背景及意义  9-10
  1.3 课题主要研究内容  10-12
第2章捷联惯性导航系统简介  12-16
  2.1 系统概述  12
  2.2 基本原理  12-14
    2.2.1 姿态矩阵  13
    2.2.2 姿态方程解算方法  13-14
  2.3 捷联式惯性导航误差  14-15
  2.4 本章小结  15-16
第3章 MEMS 惯性测量单元误差分析  16-23
  3.1 MEMS 惯性测量单元组成  16-18
    3.1.1 加速度计测量原理  16-17
    3.1.2 陀螺仪测量原理  17-18
  3.2 MEMS 惯性测量单元误差模型  18-22
    3.2.1 加速度误差模型  19-20
    3.2.2 陀螺仪误差模型  20-22
  3.3 本章小结  22-23
第4章自动校准系统实现  23-44
  4.1 系统总述  23-24
  4.2 硬件平台  24-25
    4.2.1 温漂测试平台  24-25
    4.2.2 不正交误差测试平台  25
  4.3 IMU 误差模型辨识  25-35
    4.3.1 温漂校准原理  25-28
    4.3.2 不正交误差计算  28-30
    4.3.3 误差数据处理  30-35
  4.4 系统通信协议设计  35-40
    4.4.1 CAN 总线概述  35-37
    4.4.2 系统CAN 通信协议设计  37-39
    4.4.3 系统串口通信设计  39-40
  4.5 上位机软件设计  40-42
  4.6 本章小结  42-44
第5章校准验证  44-52
  5.1 温度补偿验证  44-47
  5.2 不正交误差验证  47-50
  5.3 姿态角实验  50
  5.4 本章小结  50-52
结论  52-53
参考文献  53-57
致谢  57

MEMS惯性测量单元自动校准算法研究与实现

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