面向車輛導(dǎo)航的MIMU及其與GPS組合的研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)(MEMS)是近年來研究的一個熱點，而微慣性傳感器是微機電系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的一個重要分支。微慣性傳感器具有體積小、功耗低以及造價低廉的優(yōu)點，然而由于受制造工藝、技術(shù)的限制，微慣性傳感器的性能還不能滿足導(dǎo)航應(yīng)用要求。因此，人們在研究微慣性器什的設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)的同時，也在研究通過器件誤差補償或系統(tǒng)組合來提高微慣性系統(tǒng)的性能。后者的研究內(nèi)容主要涉及GPS、微慣性系統(tǒng)以及組合導(dǎo)航算法三個方面。 鑒于GPS的研究和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，

2、因此本論文主要圍繞MEMS陀螺儀隨機漂移的分析和建模、微慣性測量組合(MIMU)以及微慣性系統(tǒng)單獨進行導(dǎo)航運算這三個方面展開研究，具體內(nèi)容如下： (1)本文對某型號MEMS陀螺儀隨機漂移的分析和建模進行了研究，在此基礎(chǔ)上提出了對帶有季節(jié)分量的非平穩(wěn)信號進行建模的方法。 陀螺儀的隨機漂移是影響慣性系統(tǒng)性能的一個主要因素，前人在這方面已進行了大量研究。目前已有多種建模補償方法成功地應(yīng)用于傳統(tǒng)陀螺儀隨機漂移的補償，這些模型隨陀

3、螺儀隨機漂移性質(zhì)的不同而分為平穩(wěn)模型和非平穩(wěn)模型。MEMS陀螺儀的隨機漂移特性未知且漂移比傳統(tǒng)陀螺儀大，本研究采用建模的方法對其進行補償。首先對MEMS陀螺儀的隨機漂移數(shù)據(jù)進行了平穩(wěn)性分析。采用游程分析法將MEMS陀螺儀的隨機漂移數(shù)據(jù)分為間隔的數(shù)據(jù)段進行分析，結(jié)果表明：在短時間間隔情況下，MEMS陀螺儀的隨機漂移呈現(xiàn)為方差平穩(wěn)、均值不平穩(wěn)的統(tǒng)計過程，因此本文引入非平穩(wěn)建模方法對隨機漂移過程進行描述。 進一步的分析表明，該漂移數(shù)據(jù)

4、還具有一定的季節(jié)分量。采用傳統(tǒng)的時間序列法對漂移進行建模的結(jié)果表明，線性模型不能很好地描述漂移特性，建模效果較差，因此本文引入了非線性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行建模。考慮到系統(tǒng)信號處理的實時性，采用了徑向基網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于漂移信號不平穩(wěn)且?guī)в屑竟?jié)分量，本文對可以處理非平穩(wěn)信號的梯度徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加以改進，使之可以處理具有非平穩(wěn)季節(jié)特征的MEMS陀螺儀漂移。實驗結(jié)果表明，改進后的梯度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以很好地描述隨機漂移信號的性質(zhì)，其建模效果要好于傳統(tǒng)

5、的時間序列模型。 (2)本文對構(gòu)建的MIMU進行了安裝誤差的標(biāo)定試驗，并分析了MIMU的構(gòu)成方式以及改進方法。 MIMU標(biāo)定工作包括對微慣性傳感器的標(biāo)定以及對MIMU的標(biāo)定兩部分。首先對MEMS加速度計和陀螺儀進行了標(biāo)定，采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行處理以確定其零點漂移以及標(biāo)度因數(shù)，然后采用傳統(tǒng)的多位置實驗法對加速度計的安裝誤差進行了標(biāo)定，確定了加速度計的安裝非正交誤差角。考慮到研究所用的MEMS陀螺儀不能敏感地球自轉(zhuǎn)角速率

6、，本文采用了速率試驗確定陀螺儀的安裝誤差們。 本文還分析了MIMU的構(gòu)成方式，提出了差動式傳感器設(shè)計以減小零位誤差對系統(tǒng)的影響。兩個敏感方向相反的傳感器安裝在一起就構(gòu)成了差動式傳感器結(jié)構(gòu)，由于兩個傳感器為同一型號而且安裝位置接近，因此其零點漂移變化性質(zhì)是類似的，著動式傳感器可在一定程度上消除其影響。研究結(jié)果表明：差動式傳感器設(shè)計可以較好地消除零點啟動重復(fù)性誤差帶來的影響。另外，本文還探討了利用傳感器陣列提高MIMU性能可行性。論

7、文還針對MEMS陀螺儀受震動引起的誤差問題，采用滑動平均的方法進行了濾波和去野值處理，提高了由MEMS傳感器構(gòu)成的MIMU的性能。 (3)將GPS、由MEMS傳感器構(gòu)成的MIMU慣性系統(tǒng)通過PC104計算機聯(lián)結(jié)起來構(gòu)成了組合系統(tǒng)，并在該平臺上進行了面向車輛的MIMU/GPS組合系統(tǒng)的相關(guān)研究。 通過采用GPS動態(tài)校準(zhǔn)MIMU和地面車輛運動限制條件相結(jié)合的方法，可使組合系統(tǒng)具有在失去GPS信號的一段時間內(nèi)單獨承擔(dān)導(dǎo)航任務(wù)的

8、功能。車載試驗結(jié)果說明：在GPS信號丟失的情況下，本MIMU仍能在一定時間內(nèi)保證導(dǎo)航所需的精度。 將本文提出的建模方法應(yīng)用于車載試驗中MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)的補償，結(jié)果表明：MEMS陀螺儀的隨機漂移對定位偏差的影響隨時間積累，但是在短時間內(nèi)影響定位偏差的主要因素是MEMS陀螺儀的常值漂移而非隨機漂移。該試驗的結(jié)果同時也說明了本文所提出的建模方法的有效性。 本論文的研究主要集中在陸地車輛導(dǎo)航應(yīng)用上，但是由于提升微慣性系統(tǒng)性能是