MEMS惯性器件参数辨识及系统误差补偿技术

摘要

微机电系统(MEMS)惯性传感器具有成本低、体积小、测量范围大、可靠性高和易于实现数字化等优点，基于MEMS惯性器件的导航、制导技术得到了迅速发展，并被广泛应用到汽车工业、生物医学工程、航天航空、精密仪器、移动通信、国防科技等领域。 但是MEMS惯性器件存在测量精度低、噪声大等缺点，需要采取一些必要的措施以提高其精度，除了优化机械结构设计，提高电子线路的性能，以及采取屏蔽外部电磁干扰措施之外，另一种有效的途径是：从应用的角度对MEMS惯性器件和微惯性测量单元(MIMU)进行误差分析及补偿，提高系统的测量精度。为此，全文进行了以下几个方面研究： (1)提出了虚拟陀螺技术具体的实施方案，即在MIMU的每个测量轴上放置了3个单独的MEMS陀螺，组成一个阵列测量同一个角速度，然后通过多个同类传感器的信息融合技术，实现优于单个传感器的性能的目的。首先设计陀螺信号仿真器，仿真产生相关性很小、较小和很大时3种情况下的陀螺信号，验证所设计的虚拟陀螺系统的正确性。然后采集实际系统中MIMU的陀螺信号，分析得到其相关系数约为0.07，再用陀螺信号仿真器产生该相关强度的陀螺信号，7组数据的Monte—Carlo仿真分析发现，虚拟陀螺的精度提高了2.1～3.6倍，而实测数据融合的虚拟陀螺的精度最大提高2.7倍，最小1.9倍。因此，在比较仿真和试验结果后，找出了影响虚拟陀螺的精度的因素，并提出了提高虚拟陀螺精度的具体措施。 (2)在实验室标定时，由于MIMU中的加速度计和陀螺均存在较大的测量噪声，尤其是陀螺敏感到的地球自转角速度ωie几乎全部被噪声淹没，因此标定中的两个基准量ωie和g(重力加速度)受到严重干扰。另外，MIMU的3个测量轴之间不正交的失准角非常大，有时达到5°以上，传统的标定模型和方法不再完全适用。课题中针对这两个问题提出了一种工程实用性强的高精度标定方法，分两级、两步完成对MIMU的标定。首先在元件级标定中，设计Kalman滤波器估计出加速度计和陀螺的零位、刻度因数和二次项系数等。其次进行IMU级标定，在该级标定时，先采用传统的标定方法对不正交角和安装误差角进行粗标定；然后在详细地推导出精确标定模型基础上，以粗标定的结果作为初值进行参数寻优，这样减少了参数寻优时发散的风险，加快了寻优的速度。在设计标定编排试验方案时，采用回归D—最优设计，对试验进行优化，这样准确地估计出MIMU中的陀螺、加速度计的刻度因数误差、不正交角和在三轴转台上的安装误差角等。最后通过试验验证该标定方法，试验结果表明新方法快速、有效，而且不需要额外的设备和繁琐的解耦计算，具有较强的通用性和简便性。 (3)MIMU的动态误差是影响系统精度的主要因素。在分析引起系统动态误差的原因后，将动态误差分为刻度因数不对称性误差、非线性误差和由角加速度引起的误差三类，针对这三类误差提出了相应的补偿模型和方法，在通常的陀螺测量模型中增加角速度绝对值项｜ω｜，以补偿不对称性误差，然后对该改进的模型进行自适应分段，以补偿其非线性误差，最后利用三轴转台速率试验一次性辨识出角加速度项误差系数。补偿前后的试验结果表明，所设计的动态误差补偿方案将系统的姿态测量精度提高约5倍。 (4)温度对惯性器件精度的影响主要与环境温度、温度变化速率、温度梯度有关。从惯性器件结构机理定量分析温度的影响，建立误差机理模型比较困难，因此尝试从试验的角度建立误差补偿模型，并针对传统的温度误差标定方法中的不足，提出了一种全温范围内改进的标定方法，新方法最大的特点是将零位和标度因数统一标定，建立以器件温度、器件温度变化率、环境温度、环境温度变化率和输出电压等5个量为输入，角速度、加速度测量为输出的MIMU全温范围内温度误差补偿模型，然后采用逐步回归分析方法，优化MIMU温度分段误差补偿模型，试验结果表明，经过补偿后的加速度计和陀螺在全温范围内误差分别保持在10mg和0.04°/s以内，这样有效地降低了温度非线性对MIMU测量精度的影响，从而提高了MIMU在全温度范围内的测量精度，达到了工程实用的目的。 (5)研究了MEMSINS与倾角传感器(SP5003)、电子罗盘(EC)进行组合导航的方式，首先推导出MEMSINS和，SP5003的姿态测量模型，然后采用频域辨识技术辨识出SP5003的测量模型中的参数和采用椭圆假设罗差补偿方法补偿EC的罗差，再将MEMSINS、SP5003、EC和陀螺等四者的测量模型进行组合，得到完整组合导航系统模型，最后设计一个最优状态观测器，对3个陀螺的常值漂移进行在线估计和补偿，提高了系统的航姿测量精度。组合系统在三轴转台上的摇摆试验和跑车试验都证明了这种异类传感器信息融合方法正确、有效。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1研究目的和意义

1.2 MEMS惯性器件及系统的研究概况

1.2.1 MEMS ISA

1.2.2 MEMS IMU 及 INS

1.2.3 MEMS INS与GPS、EC等组合

1.2.4发展趋势

1.3 MEMS惯性器件误差建模和补偿方法研究概况

1.3.1静态误差补偿技术

1.3.2动态误差补偿技术

1.3.3随机漂移误差补偿技术

1.4研究的主要内容及论文结构安排

第2章MEMS陀螺及加速度计随机误差分析

2.1试验系统的组成

2.1.1 MIMU组成

2.1.2 MEMS INS

2.2 MIMU误差分析

2.2.1误差源

2.2.2陀螺和加速度计基本模型

2.3 MIMU随机误差参数辨识

2.3.1 FFT分析

2.3.2自相关函数分析

2.3.3 PSD分析

2.3.4 Allan方差分析

2.4 MEMS陀螺信号小波分析

2.4.1连续小波变换

2.4.2离散小波变换

2.4.3多分辨率分析

2.4.4信号的小波分析去噪

2.5各误差项对系统精度的影响

2.6本章小结

第3章虚拟陀螺

3.1虚拟陀螺基本原理

3.2虚拟陀螺技术

3.2.1微机械陀螺测量模型

3.2.2滤波器设计

3.2.3 Kalman滤波

3.3仿真实验

3.3.1.陀螺数据发生器

3.3.2仿真及结果分析

3.4 MEMS IMU试验

3.4.1陀螺信号相关性分析

3.4.2 Monte-Carlo仿真分析

3.4.3实验结果分析

3.5本章小结

第4章MIMU大失准角高精度标定

4.1存在的问题

4.2元件级标定

4.2.1加速度计测量误差模型

4.2.2 Kalman滤波器设计

4.2.3仿真及结果分析

4.2.4标定试验

4.2.5 Kalman滤波器改进

4.3失准角粗标定

4.4精确标定模型

4.5试验设计

4.5.1速率试验

4.5.2多位置试验

4.5.3回归D-最优设计

4.6参数寻优

4.7试验结果及分析

4.7.1信息阵单位行列式值和条件数

4.7.2精度检验

4.7.3复相关系数计算

4.7.4参数辨识结果

4.8本章小结

第5章MIMU动态误差补偿

5.1误差原因分析

5.1.1非线性误差

5.1.2不对称性误差

5.1.3角加速度项误差

5.2误差补偿模型

5.2.1非线性和不对称性误差补偿模型

5.2.2角加速度项误差补偿模型

5.3误差补偿方法

5.3.1非线性补偿

5.3.2角加速度项误差补偿

5.4试验设计及结果分析

5.4.1非线性和不对称性误差试验

5.4.2角加速度项误差试验

5.4.3摇摆试验检验

5.5本章小结

第6章MIMU全温标定

6.1 MIMU温度特性

6.1.1零偏全温特性

6.1.2运行零偏稳定性

6.1.3零偏和刻度因数随温度变化

6.2 MIMU温度误差模型

6.3试验及结果分析

6.3.1温度试验

6.3.2非线性回归分析

6.3.3模型优化

6.4精度检验

6.4.1模型方程显著性检验

6.4.2模型方程各系数显著性检验

6.4.3试验验证

6.5本章小结

第7章MEMS INS在线误差补偿技术

7.1.问题提出

7.2水平陀螺常值漂移估计

7.2.1 MEMS INS水平姿态测量模型

7.2.2倾角传感器测量模型

7.2.3陀螺常值漂移模型

7.2.4 Kalman滤波器设计

7.3方位漂移估计

7.3.1 INS/EC组合航向测量模型

7.3.2椭圆假设罗差补偿方法

7.4摇摆试验分析

7.4.1倾角传感器模型参数辨识

7.4.2水平陀螺漂移估计

7.4.3方位陀螺漂移估计

7.5系统跑车试验

7.6 MEMS INS/GPS/EC组合导航系统的应用

7.7本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢