MEMS惯性测量单元测试标定方法研究

摘要

随着微机械系统的发展和集成电路制造工艺的快速进步，微惯性技术在导航学科中占据了越来越重要的地位。微惯性测量单元借助于自身成本低、体积小、自主性强等优势，在军民用导航领域都发挥着越来越重要的作用。因此，国内外许多科研和教育单位都更加重视微惯性系统的开发与应用。然而，目前常见的MEMS惯性测量单元的测量精度都相对比较低，现今着重研究如何合理利用科学方法来提升MEMS惯性测量单元的精度有着极其重大的意义。设计制造测试标定设备，建立MEMS惯性测量单元正确的数学模型，设计更加简捷快速的标定测试方法，是提高MEMS惯性测量单元精度的重要途径，本文主要针对实验室自制的MEMS惯性测量单元展开误差建模和标定技术研究。 首先，根据MEMS惯性测量单元的标定测试需求从机械结构、软硬件设计等各方面详细介绍了实验室自制的标定测试设备。其次，分析了MEMS惯性测量单元的误差特性，详细介绍了各个误差参数对MEMS惯性测量单元的影响。针对随机噪声对MEMS惯性测量单元精度影响较大的实际情况，采用Allan方差法定量分析了MEMS陀螺仪的五种主要噪声。 然后，根据MEMS惯性测量单元的特点，分别建立了MEMS陀螺仪和加速度计的误差模型，对MEMS惯性测量单元的分立标定方法进行了详实介绍，并推导了数据处理公式。基于实验室自制的三轴测试标定实验设备，设计了MEMS陀螺的速率实验和加速度计的静态多位置实验，并进行了分立标定实验验证了所用方法的实用性。 最后，根据捷联导航误差方程和Kalman滤波器模型建立了合适的状态方程和量测方程，选择合适的MEMS惯性测量单元系统级标定位置编排。根据设计的转停路径进行了MEMS陀螺惯性测量单元的系统级标定实验。通过测试实验证明了所提出标定方法的有效性。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 MEMS惯性测量单元

1.3.2 测试标定设备

1.3.3 测试标定技术

1.4 主要研究内容及论文结构安排

2 MEMS-IMU测试标定系统总体设计

2.1 测试标定系统需求分析及技术指标

2.2 测试标定系统总体设计

2.2.1 测试标定设备机械结构设计

2.2.2 测试标定设备电机选型

2.2.3 测试标定设备硬件系统设计

2.2.4 测试标定设备测试标定系统软件设计

2.3 本章小结

3 MEMS惯性测量单元误差模型

3.1 MEMS惯性测量单元的误差特性

3.1.1 安装误差

3.1.2 零偏

3.1.3 标度因数误差

3.2 MEMS惯性器件的随机误差

3.2.1 Allan方差分析法

3.2.2 随机误差

3.3 本章小结

4 MEMS惯性测量单元分立标定

4.1 引言

4.2 MEMS惯性测量单元坐标系

4.3 MEMS惯性测量单元误差建模

4.3.1 MEMS陀螺的误差模型

4.3.2 MEMS加速度计误差模型

4.4 MEMS惯性测量单元分立标定实验

4.4.1 实验条件

4.4.2 多位置静态实验

4.4.3 角速率实验

4.4.4 实验结果分析

4.5 本章小结

5 MEMS惯性测量单元系统级标定

5.1 系统级标定的惯性器件误差建模

5.2 捷联惯导误差方程

5.2.1 姿态误差方程

5.2.2 速度误差方程

5.2.3 位置误差方程

5.3 系统级标定Kalman滤波器模型

5.3.1 Kalman滤波器的基本原理

5.3.2 系统的状态方程

5.3.3 系统的测量方程

5.4 标定基本流程

5.5 标定路径设计

5.6 系统级标定实验

5.6.1 系统级标定实验流程

5.6.2 系统级标定实验结果

5.7 测试与分析

5.8 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢