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基于MIMU捷联航姿系统算法研究

作　者: 黄风建
导　师: 赵忠华
学　校: 上海交通大学
专　业: 仪器仪表工程
关键词: 捷联惯导航姿系统姿态更新四元数卡尔曼滤波
分类号: V249
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,微惯性传感器领域得到快速发展。与此同时,由微惯性传感器构成的微惯性测量系统也激发了世界范围内学者的研究热情。基于微惯性传感器的航行姿态测量系统,大幅度地降低了研制成本,缩小了系统的体积。凭借这些鲜明而独特的优点,微惯性航行姿态测量系统能够在航空航天、生物医学、汽车、机器人等众多领域有非常广泛的应用。本文所研究的微惯性航姿系统,主要由微机械陀螺仪、微机械加速度计、磁强计和数字信号处理器组成。采用四元数的龙格-库塔法即时处理陀螺仪的输出以更新姿态四元数。利用加速度计和磁强计分别对地球重力场和地球磁场的观测来补偿陀螺仪零偏。采用卡尔曼滤波方法对姿态四元数误差的做最优估计,进而对所更新的四元数进行补偿校正。本文的主要内容如下:本文首先阐明了微航姿系统的重要作用,介绍了微惯性测量系统和微航姿系统的发展现状,继而介绍了捷联惯导系统基本原理,对传统的姿态更新算法进行了详尽的阐述和分析。其次,设计了由微机械陀螺仪、微机械加速度计、三轴磁强计和数字信号处理器组成的微航姿系统方案,并简要介绍了微惯性传感器和磁强计的工作原理。再次,在传统等效旋转矢量算法上有所创新,提出了不可交换动态误差估计模型,并推导了利用前更新周期内角增量的修正算法,接着又提出了增强型旋转矢量法及其在锥环境下的优化。最后,设计了航姿系统的卡尔曼滤波算法,融合加速度计和磁强计的输出,对四元数误差进行最优估计,从而对由陀螺输出所更新的四元数进行补偿。采集Mti-G的校正传感器数据,对滤波算法进行仿真。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-19
  1.1 课题研究背景和意义  10-14
    1.1.1 航向姿态参考系统的重要作用  10
    1.1.2 传统航姿系统的缺点  10-11
    1.1.3 微机电技术介绍  11-12
    1.1.4 微惯性传感器的优点  12-14
  1.2 课题相关技术发展现状  14-16
    1.2.1 微惯性传感器发展现状  14
    1.2.2 微惯性系统发展现状  14-15
    1.2.3 航姿系统发展现状  15-16
  1.3 本文主要研究内容及章节安排  16-19
第二章捷联惯性导航基本原理  19-29
  2.1 惯性导航概述  19
  2.2 常用坐标系  19-23
    2.2.1 坐标系定义  19-20
    2.2.2 地球描述及其相关参数  20-21
    2.2.3 常用坐标系之间的变换  21-23
  2.3 平台惯性导航基本原理  23-24
  2.4 捷联惯性导航基本原理  24-25
  2.5 捷联惯导基本计算  25-28
    2.5.1 姿态计算  25-26
    2.5.2 速度计算  26-27
    2.5.3 位置计算  27-28
  2.6 本章小结  28-29
第三章微航姿系统方案与工作原理  29-38
  3.1 航姿系统方案的多样性  29-30
  3.2 系统总体设计方案  30-31
  3.3 微传感器工作原理及其性能指标  31-37
    3.3.1 微机械陀螺仪  31-32
    3.3.2 微机械加速度计  32-34
    3.3.3 磁强计  34-37
  3.4 本章小结  37-38
第四章捷联惯导姿态更新算法  38-65
  4.1 载体姿态不同表示方式  38-41
    4.1.1 姿态角  38-39
    4.1.2 姿态矩阵  39-41
  4.2 欧拉角法  41-42
  4.3 方向余弦法  42-43
  4.4 四元数法  43-50
    4.4.1 四元数基本概念  43-44
    4.4.2 四元数与姿态矩阵的关系  44-47
    4.4.3 四元数微分方程  47
    4.4.4 四元数规范化处理  47-48
    4.4.5 四元数毕卡算法  48-49
    4.4.6 四元数龙格-库塔算法  49-50
  4.5 等效旋转矢量法  50-61
    4.5.1 刚体转动的不可交换性  50
    4.5.2 等效旋转矢量及其微分方程  50-51
    4.5.3 等效旋转矢量多子样算法  51-55
    4.5.4 多子样算法的锥环境优化  55-61
  4.6 算法仿真  61-64
  4.7 本章小结  64-65
第五章传统等效旋转矢量算法的改进  65-77
  5.1 基于不可交换误差估计的旋转矢量法  65-70
    5.1.1 等效旋转矢量微分方程简化  65-66
    5.1.2 不可交换误差估计模型  66-67
    5.1.3 基于不可交换误差估计的多子样算法推导  67-68
    5.1.4 修正多子样算法推导  68-70
  5.2 增强型多子样算法  70-75
    5.2.1 增强型双子样算法推导  70-71
    5.2.2 增强型三子样算法简化  71-73
    5.2.3 增强型多子样算法的锥环境优化  73-75
    5.2.4 算法漂移比较  75
  5.3 本章小结  75-77
第六章基于MIMU的航姿系统算法设计与仿真  77-99
  6.1 MTi-G简介  77-80
    6.1.1 工作原理  77-78
    6.1.2 内部传感器技术指标  78
    6.1.3 姿态性能指标  78-79
    6.1.4 数据输出格式  79-80
  6.2 系统算法基本框架  80
  6.3 姿态初始对准  80-82
  6.4 离散卡尔曼滤波  82-85
  6.5 航姿系统卡尔曼滤波方程推导  85-91
    6.5.1 状态方程  85-88
    6.5.2 观测方程  88-90
    6.5.3 滤波算法流程  90-91
  6.6 基于MTi-G校正数据输出的算法仿真  91-97
  6.7 本章小结  97-99
第七章总结与展望  99-101
参考文献  101-104
致谢  104-105
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  105-107

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