基于捷联惯导系统的MEMS陀螺仪信号降噪

摘要

随着微机电技术不断地发展，捷联式惯性导航系统快速发展起来。做为捷联式惯性导航系统中不可或缺的惯性测量器件之一，MEMS陀螺仪的输出信号精度将直接影响到系统的导航精度。因此，如何提高MEMS陀螺仪的测量精度一直是惯性导航领域研究的重点。
　　本文以信号采集与处理相关知识和技术为基础，对如何改善惯性导航系统中的MEMS陀螺仪测量精度进行了研究。通过分析惯性导航系统和MEMS陀螺仪的特点，设计了基于DSP芯片的陀螺仪信号采集与处理系统。整个系统分成两部分:前端为陀螺仪信号的采集与传输系统，后端为陀螺仪信号的降噪处理系统，这两个子系统之间通过无线传输的方式传进行数据传输。根据系统的具体要求，给出了相关的外围电路原理图和接口电路设计方案，完成了系统的整体硬件设计。
　　建立了陀螺仪漂移误差的数学模型，使用多种算法分别对陀螺仪输出信号中的随机漂移噪声进行处理。通过仿真实验对比发现，经过改进的第二代小波阈值算法，不需要确定陀螺仪的信号模型就能够进行较好的降噪，是一种通用的降噪方法。但是在需要精确制导的场合，其降噪精度远不如卡尔曼滤波效果好。文章最后设计了一个适用于捷联式惯性导航系统的组合滤波器，使用该组合滤波器可以简单且有效地解决系统的噪声问题，具有一定的工程应用价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 捷联惯导的发展及现状

1．3 MEMS陀螺仪的发展及研究现状

1．4 数据采集与处理技术的发展及现状

1．5 论文的主要研究内容

2 捷联式惯性导航系统

2．1 系统工作原理

2．1．1 SINS系统的算法流程

2．1．2 捷联式惯性导航系统的关键技术

2．2 捷联惯导系统误差分析

2．2．1 不同数学形式的误差定义

2．2．2 不同参考坐标系下SINS的误差方程

2．3 基于MEMS陀螺的惯性导航系统设计

2．4 本章小结

3 MEMS陀螺仪信号处理总体方案

3．1 MEMS陀螺仪的选择

3．2 陀螺仪信号的误差分析

3．3 信号处理总体方案设计

3．4 陀螺仪信号采集系统设计

3．4．1 陀螺仪信号调整

3．4．2 陀螺仪信号传输

3．4．3 信号采集系统软件界面

3．5 陀螺仪信号降噪系统设计

3．5．1 电源电路设计

3．5．2 复位电路和JATG接口电路设计

3．5．3 时钟电路设计

3．5．4 外扩RAM与Flash的设计

3．5．5 串口电路设计

3．5．6 D／A电路设计

3．5．7 CAN电路设计

3．6 本章小结

4 MEMS陀螺仪信号降噪算法研究

4．1 陀螺仪随机漂移数学模型

4．2 第二代小波阈值函数

4．2．1 第二代小波变换的构建

4．2．2 小波阈值的选取

4．2．3 小波阈值函数的改进

4．2．4 分解层数

4．2．5 降噪结果

4．3 前向预测FIR滤波器

4．4 卡尔曼滤波器

4．4．1 Kalman滤波原理

4．4．2 陀螺随机漂移的平稳性检验

4．4．3 陀螺随机漂移的正态性和零均值性检验

4．4．4 经典卡尔曼滤波器设计

4．4．5 Sage-Husa自适应卡尔曼滤波器

4．5 组合滤波器设计

4．6 本章小结

5 结论与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况