余度MEMS-IMU的特性分析及系统关键技术研究

摘要

MEMS(Micro Electro mechanical System)惯性传感器的出现和快速发展推动着惯性导航系统的微小型化，MEMS惯性技术与微型导航系统在国防、军事中的战略、战术价值和意义凸现。论文从余度配置下的MEMS-IMU的特性研究入手，围绕着基于MEMS惯性器件的微型导航系统构建中的关键技术，开展了一系列的研究工作。
　　 首先，进行了余度配置下MEMS-IMU的特性分析研究。对余度配置下MEMS-IMU的误差分析，误差模型的建立，测量精度的影响进行了详细的理论研究。针对余度配置条件下MEMS-IMU的非随机性误差，推导了六位置转动标定法，给出了详细的计算误差模型参数的数学推导过程，更正和完善了余度MEMS-IMU误差标定的解析表达式，提高了惯性导航的精度，对实际余度导航系统也有一定的参考价值。
　　 其次，针对余度配置条件下MEMS-IMU的随机性误差，采用了中值平均法，IIR数字滤波法和小波变换三种不同方法去除MIMU输出信号中的噪声。通过对处理结果的比较研究，证实了小波变换在信号去噪处理中的适用性和优越性，提高了MIMU的输出精度。同时利用时间序列建模方法对MEMS陀螺输出信号进行建模，并从工程实用的角度对Kalman滤波在MEMS陀螺随机漂移误差估计与补偿中的具体应用进行了研究。
　　 再次，详细研究了余度系统中关键的容错技术。研究了基于直接比较测量值方法，基于广义似然比方法，基于均值检验方法，基于奇异值分解方法的四种故障诊断方案，以六陀螺冗余惯性组件为平台，通过仿真实验，验证了上述四种方法在故障诊断中的有效性。仿真和对比分析表明：同一种故障信号情况下，直接比较测量值方法简单，易于工程实现，但误判率高且不具备软故障检测能力；从小故障的诊断效果来看，均值检验法优于广义似然比法和奇异值分解法。对故障的敏感性和算法计算量方面，广义似然比法和奇异值分解法优于均值检验法。
　　 最后，研究了余度系统重构技术，搭建了实际余度系统，对系统进行仿真分析和测试分析来验证余度系统故障识别，检测，隔离和系统重构功能的正确性以及系统的导航性能的分析。