微惯性姿态测量系统的mems传感器校准与补偿算法研究

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1、分类号TN962密级公开UDC621.3学位论文编号D-10617-308-(2016)-04039重庆邮电大学硕士学位论文中文题目微惯性姿态测量系统的MEMS传感器校准与补偿算法研究英文题目ResearchMEMSsensorcalibrationandcompensationalgorithmsinIMU学号S130402003姓名龚大伟学位类别工学硕士学科专业光学工程指导教师郑培超教授完成日期2016年5月18日重庆邮电大学硕士学位论文摘要摘要MEMS惯性器件制造成本低，器件体积与质量都更为轻便，在各个领域得到了广泛的应用。但由

2、于MEMS惯性器件存在误差，限制了微惯性测量单元精度的进一步提高。导航系统和航姿系统的有效性主要取决于惯性测量单元（IMU）的精度，通过误差数学模型补偿和校正MEMS惯性器件的各种误差能有效提高系统的测量精度。因此，准确建立MEMS惯性器件的误差数学模型，精确补偿这些误差，是惯性系统姿态测量领域中的一个重要研究内容。论文首先对微惯性发展进行概述，介绍了MEMS惯性器件误差的研究意义和误差校正算法的国内外研究现状等，然后分别介绍了MEMS陀螺仪和加速度计的工作原理以及主要性能指标。对微惯性测量系统的误差来源进行分析讨论，从原理上分析确定

3、性误差、随机误差以及温度误差等惯性器件误差的形成机理。其次，不仅对温度误差补偿建模，而且对MEMS惯性器件温度漂移和滞回现象进行了分析。设计相应的温度测试实验对MEMS惯性器件的温度特性进行分析，运用BP神经网络模型结合转速和温度因素对陀螺仪进行补偿。针对加速度计的温度特性，采用最小二乘法对Y轴进行补偿。补偿后陀螺仪零偏温度误差较常规补偿方法提升了一个数量级，加速度计零偏温度误差系数由7.5mg/°C提升至3.2e-2mg/°C。再次，对确定性误差建模及校准。采用基于传统方法改进的校正模型对MEMS惯性器件的确定性误差进行校正，其中包

4、括零偏误差，刻度因子误差和安装误差等误差。补偿后MEMS陀螺仪各轴的平均偏移量减小为0.04%、0.03%、0.01%，补偿后MEMS加速度计解算的俯仰角由平均绝对误差1°提升至0.14°。最后，补偿MEMS惯性器件随机噪声误差。采用Allan方差方法对陀螺仪和加速度计进行噪声分析，然后运用时间序列方法进行建模，采用卡尔曼滤波对信号进行噪声抑制，滤波效果良好。补偿后MEMS陀螺仪、加速度计零偏不稳定性分别提高65.7%和52.8%。关键词：MEMS惯性器件，微惯性测量单元，误差分析，标定补偿I重庆邮电大学硕士学位论文AbstractA

5、bstractThecostofMEMSinertialcomponents’productionislow,whichhasbeenwidelyusedinvariousfieldsforthequalityandvolumearemoreportable.TheprecisionofthemicroinertialmeasurementunitisstillinsufficientduetotheerrorexistintheMEMSinertialdevice.Theeffectivenessofbothnavigationsy

6、stemandnavigationpositionsystemmainlydependsontheprecisionofinertialmeasurementunit(IMU).ThemeasurementprecisionofthesystemcanbeimprovedeffectivelybymathematicserrormodelingcompensationandcorrectingvariouserrorsoftheMEMSinertialdevice.Therefore,establishmathematicalmode

7、lforMEMSinertialdeviceaccuratelyisanimportantpartinthefieldofinertialattitudemeasuring.Firstly,developmentofmicroinertialissummarizedinthisthesis,researchsignificanceandresearchsituationofMEMSinertialdeviceerrorathomeandabroadareintroduced.ThentheworkingprincipleofMEMSg

8、yroscopeandaccelerometerandkeyperformanceindicatorsareintroducedrespectively.Theerrorsourceofthemicroinertialm