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《哈尔滨工业大学》 2010年
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MEMS惯性测量单元自动校准算法研究与实现

邓文涛  
【摘要】:MEMS(Micro-electromechanical Systems)惯性测量单元(IMU)具有体积小、测量范围大、可靠性高和易于实现数字化等优点,目前已经被广泛应用到汽车电子、精密仪器、航空航天等技术领域。但是,由于其测量精度较低、信号噪声较大、对外界环境(如温度、压力等)敏感等,因此就需要采取一些必要的措施来提高其精度。一方面,可以从制造工艺上优化机械结构设计,提高芯片信号处理电路性能及电磁屏蔽性能等;另一方面,通过分析它的输出数据,建立合适的误差模型,采用误差补偿技术减小其误差。 本文以DJI公司MEMS IMU为研究对象,对其进行了误差分析、建模和自动化校准补偿研究。首先,介绍了IMU在捷联惯导系统中的应用,分析了IMU的性能对捷联惯性导航系统导航精度的影响。其次,从机械构造、力学原理上对IMU中加速度计和陀螺仪测量原理进行了分析,指出了MEMS IMU产生误差的原因,建立了主要的确定性误差数学模型。最后,重点阐述了如何实现IMU确定性误差高效的自动化校准补偿过程。 本文中对IMU温漂的校准,在分析了IMU温漂特性基础上提出在全温度校准周期内采用小周期循环方式。结合本文设计的45°倾斜式旋转台,可以同时对加速度计和陀螺温度数据进行采集。这种方式使得一般需要进行至少两次的全温度测试周期减小了一半。对于IMU中加速度计和陀螺三轴不正交误差,本文引入误差矩阵方法来进行校准。在标准的水平转台上,采集IMU六个面的平放与转动数据,然后通过与理想的正交矩阵运算得到各传感器的安装误差矩阵。另外,对温漂误差采用了多项式拟合方式进行模型参数辨识,并考虑到补偿算法的实际应用性,还对辨识结果做了进一步线性分段和表格化处理,使得整个校准方案更符合实际应用。整个系统以CAN总线作为上位机与IMU信息交换通道,以自定义通信协议进行通信。在PC机端,由Labview软件进行数据的采集、处理、显示和对程序的控制,实现整个校准系统自动化运作。 最后,对系统的校准结果进行了验证对比,结果表明本设计在MEMS IMU校准方面的可行性及实用性。由于设备简单、操作方便、校准周期短效率高,因此可以很好的应用到相关工业领域。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP211.4

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