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基于MEMS陀螺的惯性测量单元的标定与应用

王兆密  
【摘要】:基于MEMS (Micro Electronic Mechanical System,微电子机械系统)惯性传感器的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)以形状尺寸小、寿命长、耐冲击和可靠性高等特征,在航空航天、精密仪器仪表、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力,并受到世界各国的高度重视,而且已经被列为21世纪惯性技术的关键技术之一。本论文围绕MEMS陀螺的测试、惯性测量单元的标定和陀螺随机模型的研究以及一种姿态测量系统进行了研究。 随着MEMS技术的不断成熟,MEMS陀螺有替代中低精度的光纤陀螺的趋势,论文中首先对STIM202陀螺进行性能测试,主要包括比例因子、比例因子非线性、零偏、零偏稳定性和零偏重复性。然后对基于高精度的STIM202陀螺的惯性测量单元进行标定,由于MEMS陀螺温度效应比较明显,一种有效的温度补偿措施显得尤为重要。本文给出了陀螺和加速度计的误差模型,在-40℃~+70℃温度区间内,采用陀螺和加速度计同时标定的方法对惯性测量单元标定,在不失精度的情况下节省了大量的标定时间,为批量化生产奠定基础。 MEMS陀螺的随机噪声严重的影响了陀螺的精度,其噪声项主要有:量化噪声、角度随机游走、偏值不稳定性、速率随机游走和速率斜坡。本文首先采用Allan方差法分析陀螺噪声源,评估陀螺的性能,然后在建立时间序列模型的基础上设计了卡尔曼滤波器,通过卡尔曼滤波验证了采用此模型能够较好的滤除噪声,最后再通过Allan方差法分析滤波后的陀螺噪声源。 在跑车实验中,通过垂直陀螺仪(Vertical Gyroscope,VG)与激光惯性组合导航系统的对比试验,表明垂直陀螺仪可达到一定的精度,满足了在中低精度领域的应用。最后对全文的工作进行了总结、并就今后的研究工作内容作了展望。


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