微惯性组合的抗磁干扰和温度补偿方法研究

论文摘要

微惯性组合系统是MEMS陀螺在导航上的重要应用,该系统利用MEMS陀螺、加速度计和磁强计的传感器组合来进行载体姿态解算,组合导航有效的克服了MEMS陀螺精度较低及陀螺漂移较大等缺点。然而在实际应用时,MEMS陀螺的硅材质和结构特性对温度比较敏感,易产生较大的漂移,此外,磁强计容易受到外界磁场干扰,从而对载体姿态信息的融合结果产生不利影响。本文的主要研究内容和工作如下:1.本文首先介绍了微惯性组合系统的相关基本理论,包括惯性系统中常用坐标系理论、姿态矩阵定义、四元数法、旋转矢量法等,并对捷联姿态算法做了初步阐述。2.分别讨论了利用MEMS陀螺进行姿态解算和利用加速度计、磁强计组合进行姿态解算的算法,在此基础上,进一步论述了利用卡尔曼滤波融合三种传感器的信息解算出姿态角的方法。3.分析了微机械陀螺的各种误差来源,阐述了了影响微机械陀螺振动位移和结构灵敏度的主要因素。温度的变化会使谐振频率发生偏移、品质因数发生改变,会对原有的各种误差进一步放大,从而影响微机械陀螺的输出精度。介绍了微机械陀螺的温度误差补偿算法模型,阐述了最小二乘多项式的基本原理及实现方式。4.对干扰磁场的性质进行分析,将干扰磁场分为载体磁场和环境磁场。分别从这两个方面开展抗磁干扰方法研究,其一是载体磁场的补偿算法,其中讨论了基于椭圆假设最小二乘法的载体磁场补偿算法;其二是环境磁场的补偿方法,本文提出一种基于模式切换算法的抗磁干扰方案来实现在环境磁场较复杂的情况下进行姿态解算。通过大量的实验结果证明,本文所实现的微惯性系统的温度补偿方案和抗磁干扰方法是有效的,具有实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 微型惯性航姿参考系统相关技术的发展和现状
• 1.2.1 惯性导航技术的发展概况
• 1.2.2 微机械电子技术的发展概况
• 1.2.3 组合导航技术的发展现状
• 1.2.4 MEMS 陀螺温度补偿研究现状
• 1.2.5 磁场补偿技术的发展现状
• 1.3 本文主要内容
• 第二章 基本理论及算法
• 2.1 常用坐标系介绍
• 2.1.1 常用坐标系定义
• 2.1.2 载体的姿态表示
• 2.1.3 坐标系之间的转换关系
• 2.2 姿态算法
• 2.2.1 四元数法
• 2.2.2 等效旋转矢量法
• 2.3 卡尔曼滤波算法
• 2.3.1 卡尔曼滤波理论的特点
• 2.3.2 卡尔曼滤波原理
• 2.3.3 扩展卡尔曼滤波算法
• 2.4 地磁场理论
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于MEMS 陀螺的微惯性组合系统实现
• 3.1 微惯性组合系统传感器组成
• 3.1.1 MEMS 陀螺
• 3.1.2 微加速度计
• 3.1.3 磁强计
• 3.2 微惯性组合系统工作原理
• 3.2.1 微机械陀螺的姿态解算
• 3.2.2 磁强计及加速度计的姿态解算
• 3.3 微惯性组合系统总体设计方案
• 3.3.1 航姿解算系统结构
• 3.3.2 航姿解算的卡尔曼滤波器设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 抗磁干扰与温度补偿方案设计
• 4.1 温度误差来源
• 4.1.1 材料温度特性
• 4.1.2 随机漂移误差
• 4.2 温度误差补偿方案设计
• 4.2.1 最小二乘估计原理
• 4.2.2 多项式拟合
• 4.3 磁场干扰分析
• 4.3.1 载体磁场特性分析
• 4.3.2 外界环境磁场分析
• 4.4 载体磁场干扰的补偿
• 4.4.1 12 常系数补偿算法
• 4.4.2 椭圆假设补偿法
• 4.5 外界环境磁场干扰的抑制
• 4.5.1 微惯性组合的组合模式切换
• 4.5.2 微惯性组合的抗磁干扰方案
• 4.6 本章小结
• 第五章 算法仿真与实验验证
• 5.1 微惯性系统温度补偿验证平台的构建和算法验证
• 5.1.1 微惯性系统温度补偿验证平台的硬件实现
• 5.1.2 温度补偿方案实验验证
• 5.2 微惯性系统抗磁方案验证平台的构建和实验
• 5.2.1 微惯性系统抗磁方案验证平台的硬件实现
• 5.2.2 微惯性系统抗磁方案的软件实现
• 5.3 微惯性组合系统抗磁干扰方案有效性验证
• 5.3.1 微惯性组合系统解算方案实验验证
• 5.3.2 抗磁干扰方案实验验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文内容总结
• 6.2 本文研究内容的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文