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基于MIMU捷联航姿系统算法研究

黄风建  
【摘要】:近年来,微惯性传感器领域得到快速发展。与此同时,由微惯性传感器构成的微惯性测量系统也激发了世界范围内学者的研究热情。基于微惯性传感器的航行姿态测量系统,大幅度地降低了研制成本,缩小了系统的体积。凭借这些鲜明而独特的优点,微惯性航行姿态测量系统能够在航空航天、生物医学、汽车、机器人等众多领域有非常广泛的应用。 本文所研究的微惯性航姿系统,主要由微机械陀螺仪、微机械加速度计、磁强计和数字信号处理器组成。采用四元数的龙格-库塔法即时处理陀螺仪的输出以更新姿态四元数。利用加速度计和磁强计分别对地球重力场和地球磁场的观测来补偿陀螺仪零偏。采用卡尔曼滤波方法对姿态四元数误差的做最优估计,进而对所更新的四元数进行补偿校正。 本文的主要内容如下: 本文首先阐明了微航姿系统的重要作用,介绍了微惯性测量系统和微航姿系统的发展现状,继而介绍了捷联惯导系统基本原理,对传统的姿态更新算法进行了详尽的阐述和分析。 其次,设计了由微机械陀螺仪、微机械加速度计、三轴磁强计和数字信号处理器组成的微航姿系统方案,并简要介绍了微惯性传感器和磁强计的工作原理。 再次,在传统等效旋转矢量算法上有所创新,提出了不可交换动态误差估计模型,并推导了利用前更新周期内角增量的修正算法,接着又提出了增强型旋转矢量法及其在锥环境下的优化。 最后,设计了航姿系统的卡尔曼滤波算法,融合加速度计和磁强计的输出,对四元数误差进行最优估计,从而对由陀螺输出所更新的四元数进行补偿。采集Mti-G的校正传感器数据,对滤波算法进行仿真。


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