收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

MEMS惯性器件参数辨识及系统误差补偿技术

何昆鹏  
【摘要】: 微机电系统(MEMS)惯性传感器具有成本低、体积小、测量范围大、可靠性高和易于实现数字化等优点,基于MEMS惯性器件的导航、制导技术得到了迅速发展,并被广泛应用到汽车工业、生物医学工程、航天航空、精密仪器、移动通信、国防科技等领域。 但是MEMS惯性器件存在测量精度低、噪声大等缺点,需要采取一些必要的措施以提高其精度,除了优化机械结构设计,提高电子线路的性能,以及采取屏蔽外部电磁干扰措施之外,另一种有效的途径是:从应用的角度对MEMS惯性器件和微惯性测量单元(MIMU)进行误差分析及补偿,提高系统的测量精度。为此,全文进行了以下几个方面研究: (1)提出了虚拟陀螺技术具体的实施方案,即在MIMU的每个测量轴上放置了3个单独的MEMS陀螺,组成一个阵列测量同一个角速度,然后通过多个同类传感器的信息融合技术,实现优于单个传感器的性能的目的。首先设计陀螺信号仿真器,仿真产生相关性很小、较小和很大时3种情况下的陀螺信号,验证所设计的虚拟陀螺系统的正确性。然后采集实际系统中MIMU的陀螺信号,分析得到其相关系数约为0.07,再用陀螺信号仿真器产生该相关强度的陀螺信号,7组数据的Monte-Carlo仿真分析发现,虚拟陀螺的精度提高了2.1~3.6倍,而实测数据融合的虚拟陀螺的精度最大提高2.7倍,最小1.9倍。因此,在比较仿真和试验结果后,找出了影响虚拟陀螺的精度的因素,并提出了提高虚拟陀螺精度的具体措施。 (2)在实验室标定时,由于MIMU中的加速度计和陀螺均存在较大的测量噪声,尤其是陀螺敏感到的地球自转角速度ω_(ie)几乎全部被噪声淹没,因此标定中的两个基准量ω_(ie)和g(重力加速度)受到严重干扰。另外,MIMU的3个测量轴之间不正交的失准角非常大,有时达到5°以上,传统的标定模型和方法不再完全适用。课题中针对这两个问题提出了一种工程实用性强的高精度标定方法,分两级、两步完成对MIMU的标定。首先在元件级标定中,设计Kalman滤波器估计出加速度计和陀螺的零位、刻度因数和二次项系数等。其次进行IMU级标定,在该级标定时,先采用传统的标定方法对不正交角和安装误差角进行粗标定;然后在详细地推导出精确标定模型基础上,以粗标定的结果作为初值进行参数寻优,这样减少了参数寻优时发散的风险,加快了寻优的速度。在设计标定编排试验方案时,采用回归D-最优设计,对试验进行优化,这样准确地估计出MIMU中的陀螺、加速度计的刻度因数误差、不正交角和在三轴转台上的安装误差角等。最后通过试验验证该标定方法,试验结果表明新方法快速、有效,而且不需要额外的设备和繁琐的解耦计算,具有较强的通用性和简便性。 (3)MIMU的动态误差是影响系统精度的主要因素。在分析引起系统动态误差的原因后,将动态误差分为刻度因数不对称性误差、非线性误差和由角加速度引起的误差三类,针对这三类误差提出了相应的补偿模型和方法,在通常的陀螺测量模型中增加角速度绝对值项|ω|,以补偿不对称性误差,然后对该改进的模型进行自适应分段,以补偿其非线性误差,最后利用三轴转台速率试验一次性辨识出角加速度项误差系数。补偿前后的试验结果表明,所设计的动态误差补偿方案将系统的姿态测量精度提高约5倍。 (4)温度对惯性器件精度的影响主要与环境温度、温度变化速率、温度梯度有关。从惯性器件结构机理定量分析温度的影响,建立误差机理模型比较困难,因此尝试从试验的角度建立误差补偿模型,并针对传统的温度误差标定方法中的不足,提出了一种全温范围内改进的标定方法,新方法最大的特点是将零位和标度因数统一标定,建立以器件温度、器件温度变化率、环境温度、环境温度变化率和输出电压等5个量为输入,角速度、加速度测量为输出的MIMU全温范围内温度误差补偿模型,然后采用逐步回归分析方法,优化MIMU温度分段误差补偿模型,试验结果表明,经过补偿后的加速度计和陀螺在全温范围内误差分别保持在10mg和0.04°/s以内,这样有效地降低了温度非线性对MIMU测量精度的影响,从而提高了MIMU在全温度范围内的测量精度,达到了工程实用的目的。 (5)研究了MEMSINS与倾角传感器(SPS003)、电子罗盘(EC)进行组合导航的方式,首先推导出MEMS INS和SP5003的姿态测量模型,然后采用频域辨识技术辨识出SP5003的测量模型中的参数和采用椭圆假设罗差补偿方法补偿EC的罗差,再将MEMSINS、SP5003、EC和陀螺等四者的测量模型进行组合,得到完整组合导航系统模型,最后设计一个最优状态观测器,对3个陀螺的常值漂移进行在线估计和补偿,提高了系统的航姿测量精度。组合系统在三轴转台上的摇摆试验和跑车试验都证明了这种异类传感器信息融合方法正确、有效。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 王寿荣;;微惯性仪表技术研究现状与进展[J];机械制造与自动化;2011年01期
2 周小坤;;用于航天器导航的微机电系统陀螺仪通过在轨测试[J];装备指挥技术学院学报;2011年01期
3 李建利;房建成;盛蔚;董海峰;;双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪的理论计算及仿真[J];光学精密工程;2008年03期
4 刘亚;康波;;基于MEMS陀螺仪的惯性跟踪装置的设计及算法实现[J];电子质量;2010年09期
5 陈义华;王凌云;孙道恒;;基于MEMS技术的微型惯性测量组合[J];自动化博览;2005年S2期
6 韩世杰;;小到难以想像的芯片陀螺仪[J];惯性世界;1999年02期
7 王存超;王寿荣;周百令;;基于随机平均法的MEMS陀螺自适应控制设计[J];仪器仪表学报;2008年04期
8 袁赣南;梁海波;何昆鹏;谢燕军;;MEMS陀螺随机漂移在线补偿技术[J];北京航空航天大学学报;2010年12期
9 葛文勋;丛鹏;;微机电系统发展动向[J];纳米技术与精密工程;2007年03期
10 冯鹏洲;朱继南;吴志亮;;美国典型MEMS引信安全保险装置分析[J];探测与控制学报;2007年05期
11 李旻;;胶囊式微机电系统的现状与发展趋势[J];现代制造工程;2010年01期
12 郭江;CVD金刚石薄膜在微机电系统(MEMS)中的应用[J];功能材料;2003年03期
13 贾玉斌,董海峰,郝一龙;体硅隧道加速度计[J];纳米技术与精密工程;2004年01期
14 吴鸿宾,苑伟政,常洪龙,谢建兵;MEMS CAD软件开发中参数化版图库的研究及实现[J];机械设计与制造;2005年09期
15 章磊;谢超英;吴建生;;MEMS领域中形状记忆合金薄膜的研究与进展[J];材料导报;2006年02期
16 梁浩;朱文坚;黄平;;基于MEMS的体内药物释放微机构的研制与改进[J];机电工程技术;2006年08期
17 安鹏;苑伟政;张承亮;;基于微机械加速度计的振速水听器的设计与分析[J];传感技术学报;2006年05期
18 解磊;苏伟;陈泉根;;微电容加速度计系统的设计[J];传感器与微系统;2007年11期
19 江伟雄;刘修泉;何军;黄平;;体内微机电无线能量传输系统的设计与试验[J];现代制造工程;2009年04期
20 严伟;张筱朵;徐帆;徐波;;MEMS设计中的2.5维六面体网格划分(英文)[J];光学精密工程;2009年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 石又;相子元;;以陀螺仪传感器测量跑步过程足部内旋情况[A];第十四届全国运动生物力学学术交流大会论文集[C];2010年
2 王晓东;余家欣;陈磊;钱林茂;;水分和氧气对单晶硅摩擦化学行为的影响[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年
3 敖晖;李平;曲选辉;;计算机模拟辅助设计陀螺仪用磁温度补偿合金[A];科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集[C];2004年
4 郭宏宾;赵玉龙;蒋庄德;;微机械轮式陀螺仪的结构分析[A];第十届全国敏感元件与传感器学术会议论文集[C];2007年
5 徐爱东;杨拥军;卢新艳;;MEMS惯性器件的新进展及应用[A];2010’全国半导体器件技术研讨会论文集[C];2010年
6 徐景硕;;基于振动理论的微惯性测量元件[A];中国仪器仪表学会第三届青年学术会议论文集(下)[C];2001年
7 白占元;徐皑冬;;基于无线传感器网络的工程机械姿态控制系统[A];2007'仪表,自动化及先进集成技术大会论文集(二)[C];2007年
8 宋永刚;陈东生;徐强;郭刚;;陀螺仪系统可靠性模型[A];2001年飞行器惯性器件学术交流会论文集[C];2001年
9 何洪文;胡昌华;吕瑛洁;李进;;基于VXI总线的陀螺仪动态测试技术研究[A];2004全国测控、计量与仪器仪表学术年会论文集(上册)[C];2004年
10 许鑫泉;;角度记录仪[A];中国机械工程学会物料搬运学会第二届年会论文集(一)--起重机[C];1984年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 祝捷;微机电系统自聚焦压电声学换能器[D];武汉大学;2010年
2 何昆鹏;MEMS惯性器件参数辨识及系统误差补偿技术[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 王玉辉;船用摄像稳定平台测控问题研究[D];山东科技大学;2011年
4 曹钟慧;应用于光通信的非硅基底光开关与光衰减器的研究[D];浙江大学;2005年
5 钟莹;微机电系统谐振器面内运动检测的激光多普勒方法[D];天津大学;2005年
6 鲍俊峰;基于微加工技术的光开关及光互连结构研究[D];浙江大学;2006年
7 余洪斌;MEMS-DMs理论设计及工艺研究[D];华中科技大学;2005年
8 张永祥;基于陀螺仪的船载电子稳像技术研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2006年
9 范细秋;纳米压印及MEMS仿生功能表面制备的研究[D];华中科技大学;2006年
10 孙吉勇;MEMS光栅光调制器阵列及投影显示系统的光学分析和实验[D];重庆大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 贾永翠;二自由度陀螺的解耦控制[D];西安电子科技大学;2009年
2 张吉昌;单轴双轮自平衡代步车的研究与设计[D];中国海洋大学;2009年
3 李杨;三维无线能量传输技术在体内微机电系统中的实验研究[D];华南理工大学;2011年
4 褚鸿杰;微流体陀螺仪驱动与检测技术研究[D];南京理工大学;2011年
5 吴新潮;基于陀螺仪的特种车辆姿态解算器的设计[D];南京理工大学;2012年
6 姜丙功;全站式陀螺仪的定向数据处理及精度评定[D];辽宁工程技术大学;2012年
7 赵丕;GAT磁悬浮陀螺仪数据分析与处理[D];长安大学;2012年
8 黄建林;旋转弹用MEMS陀螺微小电容检测电路设计[D];中北大学;2013年
9 韩梦嘉;基于XPC环境的两轴稳定平台控制策略研究[D];大连海事大学;2010年
10 李宏;新型压电微驱动器在光学微机电系统中的应用研究[D];四川师范大学;2012年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 姑苏飘雪;方寸之间 自由把控[N];电脑报;2010年
2 曹东;我国首颗内置传感器芯片在上海张江诞生[N];中国高新技术产业导报;2009年
3 陈丹;科学家研制出可自我校准的微机电系统[N];科技日报;2010年
4 鲍中行;把陀螺仪装进茶杯里[N];中国国防报;2004年
5 记者 魏忠杰;两名宇航员走出“码头”6小时[N];新华每日电讯;2004年
6 记者 魏忠杰;“发现”号宇航员结束二次太空走[N];人民日报;2005年
7 张孟军;国际空间站维稳陀螺仪失灵[N];科技日报;2004年
8 本报记者 许泳;MEMS:越感知越火热[N];计算机世界;2010年
9 航盛集团汽车电子研究所所长 方卫东;实现车速、陀螺仪和GPS组合定位[N];中国电子报;2006年
10 贺一平;QC成果连续5年获优评[N];中国航天报;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978