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MEMS惯性器件参数辨识及误差补偿技术研究

作　者: 乔会敏
导　师: 张嘉易
学　校: 沈阳理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 低成本MEMS惯性器件小波分析标定 kalman滤波随机漂移
分类号: V241.62
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

低成本MEMS惯性器件具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点，但是低成本MEMS惯性器件的测量精度较低，因此提高低成本MEMS惯性器件的精度是实现高精度微小型导航、制导与控制系统的关键技术。本文针对低成本MEMS惯性器件的测量精度低的难题开展了器件的误差标定与补偿技术的研究。首先，根据低成本MEMS惯性器件工作环境和传统滤波器的缺点，确定了小波分析作为测量单元的前置滤波。经过对不同基在不同分解层数下的均方误差和信噪比的比较，确定了适合的小波基与分解层数，同时对动态震荡信号进行了阈值滤波。去噪结果表明，该滤波方法能有效的降低惯性器件的噪声。其次，对低成本MEMS惯性器件的误差机理进行了分析，建立了误差的数学模型，通过对加速计的六位置静态测试和陀螺仪的动态速率测试，并结合解析法对误差系数进行了解算，最终实现对器件的补偿。再次，对确定性误差系数建立了kalman滤波方程，用Allan variance方法识别惯性器件数据中的误差项，并将其细致的表征和辨识出来应用到kalman滤波方程的误差矩阵中。对零偏和刻度因子与温度和转速进行建模，利用非线性回归辨识出模型中的参数。最后，在温度和转速测试范围内对器件进行补偿。最后，用时间序列分析的方法对惯性器件的随机漂移进行建模，用线性kalman滤波、扩展kalman滤波、自适应kalman滤波最终实现对动态震荡信号的滤波，惯性器件在全测试范围内经标定、随机误差滤波补偿后与MTi进行比较，结果表明，补偿效果整体优于MTi。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-21
  1.1 课题研究的背景及意义  12-13
  1.2 微机械陀螺仪加速计结构发展与工作原理  13-18
    1.2.1 硅 MEMS 陀螺仪结构发展现状  13-16
    1.2.2 硅 MEMS 角加速度计发展现状  16-18
  1.3 基于 MEMS 惯性测量单元的发展现状  18-19
  1.4 论文主要研究内容和章节安排  19-21
第2章低成本 MEMS 惯性器件的小波去噪  21-35
  2.1 前置滤波器的选择  21-22
  2.2 小波变换的理论分析  22-26
    2.2.1 连续小波变换  22-23
    2.2.2 离散小波变换  23-24
    2.2.3 小波的多分辨分析  24-26
  2.3 IMU 前置滤波器的设计  26-31
    2.3.1 小波基函数的选择  26-29
    2.3.2 小波阈值的选择  29-31
  2.4 去噪效果分析  31-33
  2.5 本章小结  33-35
第3章低成本 MEMS 惯性器件误差模型的建立  35-54
  3.1 低成本 MEMS 惯性器件的系统误差分析  35-36
    3.1.1 刻度因数误差  35-36
    3.1.2 零偏误差  36
    3.1.3 安装误差  36
    3.1.4 温度误差  36
  3.2 标定设备和条件  36-39
    3.2.1 920ET 带温箱单轴速率位置转台  37-38
    3.2.2 自制低成本 MEMS 惯性测量单元  38-39
  3.3 测试方法  39-40
    3.3.1 加速计的静态测试  39-40
    3.3.2 陀螺仪的动态速率测试  40
  3.4 惯性器件误差模型的建立  40-46
    3.4.1 加速计误差模型的建立及解算  40-43
    3.4.2 陀螺仪误差模型的建立及解算  43-46
  3.5 惯性器件误差补偿  46-52
    3.5.1 加速计误差补偿模型  46
    3.5.2 陀螺仪误差补偿模型  46-47
    3.5.3 模型系数的解算及补偿结果分析  47-52
  3.6 对陀螺仪在全温下补偿结果分析  52
  3.7 本章小结  52-54
第4章 kalman 滤波对惯性器件误差系数的滤波  54-77
  4.1 kalman 滤波原理分析  54-56
    4.1.1 kalman 滤波原理  54
    4.1.2 kalman 滤波基本方程  54-56
  4.2 确定性误差的 kalman 滤波器设计  56-59
  4.3 Allan variance 对惯性器件的表征和辨识  59-66
    4.3.1 Allan variance 分析原理  59-61
    4.3.2 噪声源分析  61-64
    4.3.3 MEMS 惯性器件性能的评价  64-65
    4.3.4 计算结果分析  65-66
  4.4 kalman 对确定性误差的滤波  66-69
  4.5 误差补偿  69-75
    4.5.1 低成本 MEMS 常温下补偿结果  69-71
    4.5.2 惯性器件的温度补偿  71-74
    4.5.3 对确定性误差补偿的结果  74-75
  4.6 本章小结  75-77
第5章低成本 MEMS 惯性器件的随机漂移滤波  77-96
  5.1 时间序列分析理论  77
  5.2 时间序列的建模方法  77-80
    5.2.1 建模步骤  77-78
    5.2.2 模型参数识别  78-79
    5.2.3 模型的选取  79-80
  5.3 随机数据的检验方法  80-82
    5.3.1 平稳性检验  80-81
    5.3.2 正态性检验  81-82
    5.3.3 零均值检验  82
  5.4 数据预处理过程  82-86
    5.4.1 去除奇异点  82-83
    5.4.2 零均值处理  83
    5.4.3 去除趋势项  83-85
    5.4.4 标准化处理及一阶差分处理  85-86
  5.5 kalman 滤波对 IMU 静态随机漂移的处理  86-89
    5.5.1 模型参数估计与方程建立  86-88
    5.5.2 滤波结果分析  88-89
  5.6 扩展 kalman 滤波对动态速率下漂移的滤波  89-91
  5.7 自适应 kalman 滤波  91-93
  5.8 低成本 MEMS 惯性器件的补偿结果  93-95
  5.9 本章小结  95-96
结论  96-98
参考文献  98-102
攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果  102-103
致谢  103-104

MEMS惯性器件参数辨识及误差补偿技术研究

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