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基于冗余传感器的虚拟陀螺技术及其应用研究

罗璋  
【摘要】:陀螺仪是检测角速度信号的传感器,广泛应用于航空航天、军事、工业和消费领域。随着陀螺仪的应用发展,对陀螺仪的性能要求不断提高。然而,在实际应用中,低成本的陀螺仪难以提供高精度的角速度检测。虚拟陀螺技术可以利用多个低成本的传感器通过数据融合提高角速度的检测精度,有广阔的应用前景。针对目前虚拟陀螺中存在的鲁棒性和配置方案优化等问题,本文提出了鲁棒融合的虚拟陀螺,设计了新型基于惯性传感器组合的虚拟陀螺配置方案和融合算法,同时提出基于上述虚拟陀螺技术的冗余传感器惯性系统。主要工作和成果总结如下:首先,针对主流虚拟陀螺技术对滤波噪音参数和信号野值鲁棒性不足的问题,建立了基于H∞滤波的虚拟陀螺,提高了系统的参数鲁棒性和环境信号适应性。进一步提出了基于野值鲁棒滤波算法虚拟陀螺,消除了单个野值和成片野值对系统的输出影响。其次,提出基于惯性传感器阵列组合的新型虚拟陀螺。提出了由多个陀螺仪和在特定位置固定的多个加速度计的典型配置,利用加速度计组合求得的角加速度与多个陀螺仪输出作为卡尔曼滤波的观测量,建立了新型虚拟陀螺的融合算法。仿真实验与样机实验结果显示,该虚拟陀螺大大提升了动态性能,同时将静态测试的角度随机游走和零偏不稳定性性能分别提高了 1.57倍和65.5%,动态测试的精度提高了 1.53倍。最后,提出一种新型的冗余传感器的惯性系统。该惯性系统由4个集成三轴陀螺与三轴加速度计的惯性测量单元组成,结合提出的基于H∞滤波的角速度与加速度信号的融合算法并进行姿态解算,同时开发了系统实验样机。通过实验显示,冗余传感器的惯性系统大幅提高了姿态角的检测精度,横滚/俯仰角精度达到0.06°,航向角精度达到0.5°,优于业内采用同等传感器的惯性系统。


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