基于MEMS传感器的物体运动参数解算误差分析及传感器适用性研究

摘要

MEMS传感器价格低廉、尺寸小、质量轻，在电子消费产品等领域应用广泛。但其缺点是精度低，稳定性差，限制了其应用范围。传感器本身制造工艺以及长时间的积分累积误差和陀螺漂移的存在等因素，使得MEMS传感器在测量方法精度无法满足要求。如何使用此类MEMS传感器，如何提高传感器精度及误差分析补偿是本文的主要研究目标。实验中使用的MEMS传感器是集三轴加速度计和三轴陀螺于一体、低成本和低精度的数字传感器。
　　为初步探究传感器性能，提高传感器测量精度，运用实验加仿真的方式对比分析该问题。在完备的数字采集系统和成熟的轨迹解算方法的前提下，本文首先进行了转台画圆实验，通过描绘运动轨迹，与已知圆轨迹对比分析，初步了解该传感器的性能。用MATLAB仿真还原转台实验过程，用同样的解算方法得到了圆的轨迹。仿真结果表明了该算法是正确的;同时对比实验结果，发现该传感器无法在长时间内准确测量运动体的位置信息。在算法正确的前提下，提高传感器测量数据的准确性。对于传感器本身，由于批量化生产，厂家给出统一的技术指标。其次，论文提出对单片的加速度计的技术指标参数:零偏和标度因子进行校准和补偿，提出一种基于六姿态模型的加速度计校准方法。由于静止时重力加速度在三轴的分量即为加速度传感器各轴输出，据此原理建立误差模型，利用算法对其零偏和标度因子进行校准。经实验验证:该校准方法无需借助高精度转台等设备，就可实现加速度传感器的快速校准。相比厂家所给相关技术指标，其精度有所提高。最后，为进一步研究传感器使用时的约束条件，通过仿真的方式，从理论角度分别分析加速度计的零偏和灵敏度系数对测量结果的影响，并进行误差分析从而确定传感器使用约束条件。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景与意义

1．2 MEMS传感器误差研究现状

1．2．1 MEMS加速度传感器误差分析研究现状

1．2．2 MEMS陀螺仪误差分析研究现状

1．3 论文主要研究内容及章节安排

2 捷联惯导系统姿态解算基本方法

2．1 导航常用的坐标系及坐标系转换

2．1．1 常用坐标系

2．1．2 坐标系转换

2．2 初始对准及姿态角确定

2．2．1 初始对准

2．2．2 姿态角确定

2．3 姿态角计算基本方法

2．3．1 欧拉角法

2．3．2 方向余弦法

2．3．3 四元数法

2．4 重力加速度的去除

2．5 速度和位置解算

2．6 本章小结

3 转台姿态解算测试实验及仿真分析

3．1 转台姿态解算测试实验

3．1．1 转台姿态解算测试实验设计

3．1．2 转台姿态解算方法

3．2 数据预处理

3．2．1 小波去噪原理

3．2．2 小波去噪实验

3．3 转台测试实验结果及误差分析

3．3．1 转台测试实验结果

3．3．2 误差分析

3．4 转台姿态解算仿真分析

3．4．1 仿真设计过程

3．4．2 仿真传感器数据生成

3．4．3 仿真结果分析

3．5 本章小结

4 MFMS加速度计误差校准补偿

4．1 加速度传感器工作原理

4．2 加速度传感器误差校准方法

4．2．1 加速度计误差建模

4．2．2 加速度计静态输出仿真

4．2．3 加速度计静态校准方法

4．2．4 牛顿迭代算法

4．3 加速度传感器校准实验

4．3．1 MEMS加速度计静态校准实验设计

4．3．2 结果分析

4．4 本章小结

5 MEMS陀螺仪介绍与误差分析研究

5．1 陀螺仪工作原理

5．2 陀螺仪参数校准及补偿

5．2．1 陀螺仪误差建模

5．2．2 陀螺仪校准方法

5．3 传感器偏置误差分析

5．3．1 陀螺漂移和加速度偏置仿真探究

5．3．2 结果分析

5．4 传感器灵敏度误差分析

5．4．1 加速度计和陀螺仪的灵敏度仿真研究

5．4．2 结果分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢