一种新的无陀螺惯性测量组合标定方法

无陀螺惯性测量组合在角速率解算过程中不仅需要知道加速度计标定因数、零偏及实际安装方向向量,还需要准确获取加速度计的实际安装位置.针对上述特点,以加速度计输出模型为基础,提出并建立了一种广泛适用于各种无陀螺惯性测量组合的标定方法.该方法经转台位置和速率实验验证可以准确得到加速度计标度因数、零偏及安装误差,进一步提高了载体线加速度和角速率解算精度,从而为后续的姿态解算奠定基础.     

一种加速度计的标定补偿方法研究

针对微惯性测量组合(MIMU)中的三轴加速度计因为安装误差的缘故,会在恶劣的锥运动环境下出现误差发散问题,本文提出一种基于三轴位置速率转台的静态旋转多位置补偿标定方法.本文通过分析误差角补偿模型来设计相应的标定试验流程,然后利用非线性拟合的数据处理方法,准确计算出标度因数矩阵和加速度计电压.最后,经过标定试验和误差计算,与十二位置标定法对比发现,本文所设计的标定补偿方法能够将误差小一个数量级,能有效提高加速度计输出精度,具有重要的工程实践意义.     

一种微惯性测量单元标定补偿方法

在介绍微惯性测量单元组成与结构的基础上,根据MEMS惯性器件的输出特性,建立了微惯性测量单元中加速度计和陀螺仪的数学标定模型,提出并推导了一种适用于微惯性测量单元的标定方法,该方法可以得到微惯性测量单元中惯性传感器的零位、标度因数、安装误差系数及g值敏感项等33个参数;然后,具体介绍了通过加速度计重力场静态翻滚试验和陀螺仪恒角速率试验对MIMU中参数标定的方法和步骤,并对实验室自研的MIMU进行了标定;最后利用得到的标定参数对测试结果进行了误差分析与补偿;实验结果表明,该方法使MIMU的测量精度提高了1～2个数量级,能够满足姿态解算及导航计算的精度要求。     

基于MEMS和CORTEX-M3的微惯性测量单元研制

从工程实际出发,给出了一种基于新型Cortex-M3内核ARM和MEMS惯性传感器的低成本、高性能微型惯性测量单元的结构框架。详细介绍了采用三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计和三轴磁阻传感器研制的微惯性测量单元硬件设计方案,分析了陀螺和加速度计的信号噪声,利用均值滤波法对信号进行预处理,对预处理后的信号采用FIR滤波器进行滤波,对陀螺和加速度计进行了标定。该测量单元已应用于某小型无人机的姿态测量,达到预期效果。     

无陀螺惯性测量组合模型方案设计

无陀螺惯性测量组合(GFIMU)是利用线加速度计在空间的组合解算出载体的角速度,同时测量载体的轴向加速度,构成惯性测量组合.提出了GFIMU十二加速度计配置方案,该方案直接得出角速度数值表达式,有效避免了求解微分方程组带来的积分误差.在推导导航参数计算数学模型的基础上,设计了实物结构模型和数据采集电路,并进行了系统标定实验.提出了基于三维转台的接近gn值点和0点的多位置标定方法,可以有效地减小在加速度计标定中方位误差带来的影响.     

惯性测量组合小角度静态标定方法研究

简要论述了为延长惯性测量组合的稳定期以及提高惯性测量组合的使用精度,在位置转台上对惯性测量组合影响精度大的不稳定参数进行自标定的技术,即利用角速度计去标定低精度陀螺的技术。从理论上讨论了利用加速度计的信息去标定陀螺不稳定参数的方法。提出了小角度标定方法,给出了小角度静态标定思路,从理论上对小角度射前静态标定方法存在的综合误差进行了定量分析,指出了小角度静态标定方法存在的主要问题,同时提出了相应的改进方法,使射前静态标定方法理论上可行。     

MEMS加速度计在线快速标定系统设计与实现

微机电系统(MEMS)加速度计的标定方法主要是利用高精度转台在重力场下进行翻转实验,通过采集存储不同位置下的加速度计输出,利用事后处理的方法得到待标定加速度计的标度因数和零位电压。然而事后处理的方法效率较低,数据处理较繁琐。为了优化标定系统并提高标定效率,提出并设计一种MEMS加速度计在线快速标定系统,通过微控制器实时采集不同位置加速度计数据、处理后并传输至Lab VIEW设计的上位机,最后,实时快速拟合出标定曲线和标定参数,具有一定的工程利用价值。     

捷联惯导系统加速度计标度因数和安装误差的试验标定

研究了捷联惯导系统惯性测量组合中加速度计标度因数和安装误差的标定问题。对捷联惯性测量组合中3路加速度计建立了输出模型,提出了在三轴转台上采用多位置试验对加速度计标度因数和安装误差进行标定的方法。实验表明,本方法能够有效地标定出惯性测量组合中加速度计的标度因数和安装误差,具有较高的精度,对提高捷联惯导系统的精度有着重要的作用。     

激光捷联惯性组件精确标定方法研究

建立激光捷联惯性组件(SIMU)的输出模型;研究双轴位置转台下高精度激光SIMU的多位置标定方法,通过正、反向转动和四位置对消标定出激光陀螺的脉冲当量、安装偏差和常值漂移;应用多元回归分析法标定出加速度计的脉冲当量、安装偏差和零偏;分析了地球自转角速率、转台角位置基准偏差对陀螺标定的影响;阐述了提高陀螺组件标定精度的方法。对某型激光SIMU(陀螺漂移稳定性0.007°/h,加速度计零漂5×10-5g)进行标定与实时补偿,静态导航1 h最大纬度误差0.13海里(n mile),经度误差0.24海里(n mile);动态车载实验1 h定位误差0.7723海里(CEP)。     

UKF滤波在MIMU/GPS组合导航系统中的应用

微惯性测量组件(MIMU)的陀螺和加速度计随机误差较大,系统短时间内的计算误差发散很快,本文推导了惯导误差的Φ角非线性模型,模型的状态变量包括:位置误差,速度误差,数学平台的姿态误差角,陀螺和加速度计的常值偏置.MIMU经过初始对准后,方位误差角可能仍然很大,误差具有较强的非线性,本文使用UKF滤波方法来对误差进行估计,利用GPS来辅助MIMU进行组合导航,通过输出和反馈互相结合的混合校正方式提高了导航精度.     

六轴MEMS传感器空间定位设计与实现

文中主要讲述了基于3轴MEMS陀螺仪,3轴MEMS加速度计空间定位的研究。为了避免环境对定位的影响,文中根据物理原理建立运动模型,结合坐标变换方法,在低功耗无线单片机CCA30平台上利用集成了3轴MEMS陀螺仪,3轴MEMS加速度计的芯片MPU60x0设计了一套新的空间定位系统,并采用SimpliciTI协议传输信息。该系统具有高度集成、电路简单、体积小、极低功耗、易扩展、易维护等优点,可以作为基于无线网络定位的辅助手段,改善定位精度,亦可在精度要求相对较低的定位领域应用。     

基于Kalman滤波算法的姿态传感器信号融合技术研究

针对应用三轴陀螺仪和三轴加速度传感器的四旋翼飞行器姿态角测量问题,提出了基于Kalman滤波算法的姿态传感器信号融合方法。该方法将陀螺仪输出的角速度误差作为时变误差处理,认为陀螺仪输出的角速度误差与其所测角速度及上一时刻的角速度输出误差相关,并据此建立陀螺仪测量线性方程,在此基础上,应用Kalman滤波算法,以加速度计输出的姿态角对陀螺仪测量的姿态角进行修正,从而达到姿态角准确测量的目的。实验结果表明：应用Kalman滤波算法对加速度传感器和陀螺仪信号融合后可有效消除姿态角测量累积误差并显著改善姿态角测量的动态特性。     

Testing of MEMS capacitive accelerometer structure through electro-static actuation

The present paper discusses a method for testing a MEMS capacitive accelerometer structure through electrical actuation. The response of a standard MEMS capacitive accelerometer structure for different electrical actuation voltages has been analyzed. The accelerometer structure along with a capacitance sensing integrated circuit (IC) MS3110 is modeled and simulated. A set of proto-type accelerometer structures is fabricated and packaged in PGA packages. The packaged MEMS structures and MS3110 IC are integrated on a printed circuit board. The MEMS structure is actuated by applying the electrical signal through the actuation fingers and the change in capacitance is measured by the MS3110 IC. The simulated and measured results show some interesting phenomenon like dipping and frequency doubling which are useful for initial testing and characterization of a MEMS accelerometer structure.     

振动环境下MEMS加速度计的可靠性评估

在MEMS加速度计加速寿命试验及加速性能退化试验研究的基础上,对MEMS加速度计在振动环境下的可靠性技术进行了研究.通过理论分析MEMS加速度计在振动环境下的失效模式和失效机理,结合具体的试验条件设计了加速度计加速寿命试验及加速性能退化试验方案,并对MEMS加速度计在振动环境下的失效数据分别进行了加速寿命可靠性评估及加速性能退化可靠性评估.研究表明,两种评估方法得到的评估结果基本一致;加速性能退化评估方法适用于MEMS加速度计在振动环境中的可靠性研究,且该方法简捷、正确可行、节省试验费用,为MEMS加速度计在实际应用中提供了重要的参考依据.     

MEMS加速度传感器在微型特种机器人中的应用

提出一种基于MEMS加速度传感器LIS3LV02DL的特种机器人姿态测控和环境感知方案。阐述了系统硬件组成,分析了传感器姿态测控方法和环境感知原理。为提高加速度传感器工作精度,设计了一种加速度传感器校正方法。试验结果表明：该加速度传感器能较好地感知机器人运动的姿态与方向,并实现机器人着陆姿态调整和外部环境振动信息的监测。     

Stability analysis in state space for non-driven MEMS gyro

The non-driven MEMS gyro is a new kind of micromechanical vibratory gyro, which has no a driving structure itself. The gyro is installed on a rotating aircraft and utilizes the spinning of the carrier to obtain an angular momentum. When the carrier produces a transverse rotation, a periodic Coriolis force acts on the sensitive mass of the MEMS gyro to sense the transverse input angular velocity of the rotating carrier. In applications, we found that the MEMS gyro is subjected to a high shock when the carrier begins to launch. If the sensitive mass cannot return to balance, the gyro will not work properly. So the stability of the gyro is the key issue on whether it can properly work. In this paper, we have analyzed the stability of the MEMS gyro in details by using Lyapunov stability principle for the first time. Firstly, based on the designed structural principle of the MEMS gyro, by using Euler dynamic equation of a rigid body rotating around a fixed point, we have described the angular vibration of the sensitive mass of the gyro and obtained its motion equation. The motion is the second order system. Then, we have chosen an appropriate state vector and established a state space model in state space for describing the motion of the sensitive mass. In order to research the stability of the designed MEMS gyro by using Lyapunov stability principle, a Lyapunov function needs to be found. Therefore, we have built a quadratic function and proved that its Lyapunov matrix equation has a solution. The matrix solution is symmetric and positive definite. Thus, the found quadratic function is a Lyapunov function. According to Lyapunov stability principle, the designed MEMS gyro is asymptotically stable. Next, utilizing numerical calculation, we have done the simulation of the unit-impulse response. The response curve has shown that the system of the designed MEMS gyro can come back to the balance after 160 ms. Finally, for further verification, the MEMS gyro is fixed on the shock table to test. The shock wave is a half-sine with the strength of 60 g and the impulse width of 80 ms. The tested result has demonstrated that the output signal of the designed MEMS gyro can again come back to zero state position after 150 ms under shock disturbance.

     

小型尾坐式飞行器航姿参考系统

针对小型尾坐式飞行器姿态实时解算问题,研究了低成本的航姿参考系统(AHRS).由于MEMS惯性器件精度较低,设计了混合卡尔曼滤波器,以姿态四元数和陀螺随机漂移为状态变量,抑制了载体长时间飞行时陀螺漂移造成的累积误差.由于加速度计输出值在除重力加速度之外的附加加速度较大时不可信,完善了判断载体运动状态的方法,根据加速度计的实际输出,选择加速度值或者磁场强度作为观测量.实验结果表明,设计的算法在精度和计算效率方面都能满足控制系统的需求,更加适用于对实时性有较高要求的飞行器.     

基于递推最小二乘与互补滤波的姿态估计

针对基于微机电系统(MEMS)的惯性导航系统中陀螺噪声较大导致姿态漂移的问题,本文基于递推最小二乘(RLS)与互补滤波器提出一种提高姿态估计精度的方法.该方法从陀螺去噪算法和姿态解算原理两个方面提高姿态估计精度:在陀螺去噪方面,为克服传统递推最小二乘的不足,提出一种随机加权的递推最小二乘法,利用随机加权实现对偏差的估计;在姿态解算方面,在传统互补滤波器的基础上通过自适应调整比例-积分(PI)参数来调整滤波器的交接频率,最终得到陀螺积分值的高通滤波和加速度计的低通滤波的叠加.转台静态和动态实验结果表明,使用本文所提方法后,有效降低了陀螺噪声,姿态估计精度明显提升.     

基于MIMU和磁力计的姿态更新算法研究

针对传统人体姿态解算算法中存在MEMS陀螺误差发散快的问题,提出一种基于微惯性测量单元( MIMU)及磁力计信息融合的姿态解算算法。该算法利用互补滤波结合PI调节控制完成陀螺零偏校正,然后在加速度计和磁强计的辅助校正下,通过EKF( Expand Kalman Filter)滤波器更新四元数法实现陀螺姿态解算。本算法采用MPU9150传感器模块完成测试实验,实验中对比分析了单独扩展卡尔曼滤波算法与本算法的滤波效果。实验结果表明,本算法能够有效地抑制陀螺的发散,实现稳定地输出高精度姿态数据。