提高无陀螺惯性测量组合精度方法的研究

摘要

无陀螺惯性测量组合(Non-gyroInertialMeasurementUnit-NGIMU)就是指惯性测量组合中不用陀螺测量角速度，而在利用线加速度计测量线加速度的同时，根据线加速度计的空间位置组合解算出角速度，从而得到惯性测量的全部参数，达到惯性导航的目的。NGIMU具有抗高加速度值冲击、低功耗、小体积、低成本的特点，适用于某些特定场合，如战术导弹、智能炮弹等。因此，对NGIMU技术的研究不但具有重要的学术意义，而且在国防领域也有重要的应用价值。本文从减小误差、提高NGIMU系统测试精度的角度出发，对NGIMU技术进行了深入的研究。　　本文设计了两种九加速度计NGIMU配置方案，并进行了相应的比较研究。通过与其他方案进行仿真分析，给出了各自方案的优点和存在的问题，并指出本文实验设计所采用配置方案的可行性和可操作性。　　本文从加速度计配置的一般性出发，针对加速度计安装位置存在偏差的实际条件下，提出了具有补偿效应的角速度解算算法。该算法通过推导加速度计输出误差方程，利用灰色预测方法在传统算法中进行相应补偿以达到减小误差的目的，同时进行了仿真验证和实验验证。　　在无陀螺惯性测量技术研究中，虽已经提出多种加速度计配置方案，但均未给出通用、可行的配置条件。本文在分析了多种配置方案后，首先从算法角度给出了NGIMU配置方案满足的要求，并举例对理论进行了验证。同时对上述角速度算法误差进行了分析，从理论上得到了加速度计安装位置的工程要求范围。　　在NGIMU动态特性研究中，动态耦合是指某一加速度计敏感轴方向的动态输出信号中，含有其他方向输入量的影响。显而易见，动态耦合误差对系统的测量精度影响很大。本文基于传递函数矩阵分析法，提出了应用不变性动态解耦方法对NGIMU动态解耦。该方法在各输出通道之间设置较简单的环节，用较低阶的解耦模型，抵消各维间耦合。由于NGIMU系统运行时，是静动态耦合误差共同作用的过程，本文提出了应用静动态解耦方法对NGIMU解耦，并通过仿真对该算法进行了验证。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1选题的背景及意义

1.2惯性导航系统的发展状况

1.3微型惯性测量组合的研究现状

1.4无陀螺惯性测量组合的研究状况

1.4.1研究状况

1.4.2存在的主要问题及研究趋势

1.5组合导航技术和动态特性研究状况

1.5.1组合导航技术的发展状况

1.5.2传感器动态特性的研究状况

1.6论文的主要工作

第2章NGIMU基本工作原理及配置方案设计

2.1引言

2.2惯性导航系统的基本工作原理

2.2.1惯性导航中的坐标系

2.2.2惯性导航系统的工作原理

2.3 NGIMU工作原理

2.3.1载体中加速度计输出方程

2.3.2 NGIMU工作原理

2.4坐标转换算法

2.4.1方向余弦矩阵算法

2.4.2四元数算法

2.4.3仿真流程

2.5九加速度计设计方案

2.5.1第一种九加速度计配置方案

2.5.2第二种九加速度计配置方案

2.6本章小结

第3章角速度补偿算法及配置可行性分析

3.1引言

3.2安装误差条件下的角速度补偿算法

3.2.1角速度补偿算法

3.2.2灰色预测方法

3.2.3异常处理

3.2.4算法仿真及分析

3.3加速度计配置算法可行性分析

3.3.1可行性分析

3.3.2举例验证

3.4安装位置可行性分析

3.5本章小结

第4章NGIMU/GPS组合导航系统的仿真研究

4.1引言

4.2 GPS定位原理

4.2.1 GPS定位方法概述

4.2.2 GPS定位基本原理

4.3卡尔曼滤波方法

4.3.1卡尔曼滤波概述

4.3.2卡尔曼滤波的基本原理

4.3.3组合导航系统设计

4.4模糊自适应卡尔曼滤波方法

4.4.1模糊理论基础

4.4.2滤波器设计

4.4.3仿真分析

4.5本章小结

第5章NGIMU动态解耦方法研究

5.1引言

5.2维间耦合

5.3不变性动态解耦方法

5.3.1二维解耦方法

5.3.2三维解耦方法

5.3.3仿真分析

5.4静动态解耦方法

5.4.1静动态系统的描述

5.4.2静动态联合解耦网络

5.4.3仿真分析

5.5本章小结

第6章NGIMU实验系统实现

6.1引言

6.2实验系统设计

6.2.1加速度计的选择和安装

6.2.2硬件设计

6.2.3软件设计

6.3角度测试实验

6.3.1加速度计的标定

6.3.2实验结果及分析

6.4角速度补偿算法实验验证

6.4.1安装偏差参数的确定

6.4.2实验结果及分析

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及学位论文使用授权书

致谢

个人简历