基于MEMS傳感器的嵌入式捷關(guān)慣性測量單元及其應(yīng)用研究.pdf

1、軌道幾何參數(shù)是影響列車運(yùn)行質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，為此世界各國均十分重視軌道幾何參數(shù)檢測技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)。軌道幾何參數(shù)檢測的關(guān)鍵技術(shù)之一是獲取測量基準(zhǔn)。本文針對軌道幾何參數(shù)測量基準(zhǔn)的建立這一課題展開研究，在對比、分析多種基準(zhǔn)建立方法后，提出了基于MEMS傳感器的慣性測量單元的基準(zhǔn)測量方案。
　　論文首先深入研究了捷聯(lián)慣性測量的基本原理，在此基礎(chǔ)上建立了捷聯(lián)慣性基準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。為方便捷聯(lián)慣性解算算法的驗(yàn)證，通過捷聯(lián)慣性解算的逆向過程，在

2、特定假設(shè)下推導(dǎo)出了載體理論運(yùn)動軌跡、姿態(tài)以及載體坐標(biāo)系上固聯(lián)的傳感器的理想輸出值。
　　為選擇合適的姿態(tài)解算算法，論文在不同強(qiáng)度的隨機(jī)噪聲干擾下，對比了四階龍格庫塔法、四階阿當(dāng)姆斯法和四階海明法在圓錐運(yùn)動下的姿態(tài)解算效果，結(jié)果表明，在干擾很小的情況下，四階龍格庫塔法的算法精度遠(yuǎn)不及后兩者，而在干擾較大的情況下前者表現(xiàn)更優(yōu)，海明算法表現(xiàn)最差。
　　利用載體運(yùn)動仿真實(shí)驗(yàn)獲得的傳感器理論輸出值進(jìn)行了基于四階龍格庫塔算法的捷聯(lián)慣性解

3、算數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，解算得出的曲線與理想曲線重合度極高，從原理上證明了算法具有可行性。
　　針對列車運(yùn)行速度較低、運(yùn)動受地面軌道約束以及MEMS傳感器精度不高的特點(diǎn)，論文把地面近似為慣性空間，對完整的捷聯(lián)慣性解算算法進(jìn)行了合理、適度地簡化。對簡化算法進(jìn)行了數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在短時(shí)間內(nèi)簡化算法仍然具有較高的精度，長時(shí)間后解算精度則顯著變差。
　　論文設(shè)計(jì)了以高性能ARM9內(nèi)核微控制器LPC3250為核心的嵌入式硬件

4、系統(tǒng)，針對硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于四階龍格庫塔算法的C語言程序。為便于初值和傳感器零偏設(shè)置、解算結(jié)果顯示、以及歷史解算數(shù)據(jù)記錄，設(shè)計(jì)了上位機(jī)應(yīng)用程序。軟硬件調(diào)試完成后，系統(tǒng)可獲得最高512Hz的解算頻率和128Hz的上傳頻率。
　　最后，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件下對系統(tǒng)進(jìn)行了盡可能的校準(zhǔn)和測試。測試結(jié)果表明:本文所提簡化算法有比完整算法更低的解算誤差漂移速度，本文設(shè)計(jì)和研制的嵌入式捷聯(lián)慣性測量單元在短時(shí)間內(nèi)可以以較高的精度動態(tài)跟蹤當(dāng)?shù)厮交鶞?zhǔn)面