【摘要】：隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)的發(fā)展,MEMS微慣性姿態(tài)系統(tǒng)因其成本低、體積小、重量輕、功耗低以及便攜性好等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活領(lǐng)域。但由于MEMS慣性傳感器測量精度低和系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性差,MEMS微慣性姿態(tài)系在飛機(jī)、火箭、船舶等領(lǐng)域應(yīng)用受到一定限制。因此,研究高精度MEMS微慣性姿態(tài)系統(tǒng)對發(fā)展航海、航天、航空技術(shù)有著重要價(jià)值。本文主要針對MEMS微慣性姿態(tài)系統(tǒng)易受載體振動信號干擾和輸出姿態(tài)精度低的問題,開展相關(guān)設(shè)計(jì)和測試實(shí)驗(yàn),主要內(nèi)容如下:(1)MEMS微慣性姿態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求選型系統(tǒng)主要器件,然后設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件、軟件和結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)硬件電路分為核心系統(tǒng)板、慣性測量板和外界通信板三部分。核心系統(tǒng)板主要功能是采集MEMS慣性傳感器數(shù)據(jù)和通過數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算獲取載體姿態(tài)角度;慣性測量板是實(shí)現(xiàn)對載體慣性運(yùn)動量的測量;對外通信板與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化、MEMS慣性傳感器數(shù)據(jù)采集與濾波、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、姿態(tài)解算和上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示。為了防止系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固有頻率與載體振動頻率帶、MEMS慣性傳感器固有頻率發(fā)生交叉出現(xiàn)共振現(xiàn)象,對MEMS慣性傳感器進(jìn)行振動特性分析與仿真,確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固頻率設(shè)置范圍,優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(2)姿態(tài)解算算法設(shè)計(jì)與仿真分析。針對于振動環(huán)境MEMS慣性傳感器輸出信號變化范圍增大和噪聲變大的問題,在傳統(tǒng)的Mahony互補(bǔ)濾波、Madgwick梯度下降和擴(kuò)展卡爾曼濾波三種算法基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)改進(jìn)型自適應(yīng)Mahony互補(bǔ)濾波、改進(jìn)型自適應(yīng)Madgwick梯度下降和改進(jìn)型自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波三種算法。通過無人機(jī)飛行仿真實(shí)驗(yàn),得出三種改進(jìn)型算法姿態(tài)誤差從大到小為:改進(jìn)型自適應(yīng)Madgwick梯度下降法、改進(jìn)型自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法、改進(jìn)型自適應(yīng)Mahony互補(bǔ)濾波算法.因此改進(jìn)型自適應(yīng)Mahony互補(bǔ)濾波算法更適合振動環(huán)境姿態(tài)解算,將其選為系統(tǒng)姿態(tài)解算算法。(3)MEMS微慣性姿態(tài)系統(tǒng)性能測試實(shí)驗(yàn)。MEMS微慣性姿態(tài)系統(tǒng)性能測試包括隨機(jī)振動和姿態(tài)輸出精度測試,系統(tǒng)隨機(jī)振動測試實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對載體振動信號起到了隔離效果,載體振動信號沒有放大,改善了系統(tǒng)性能;而系統(tǒng)姿態(tài)精度測試實(shí)驗(yàn)得出,系統(tǒng)靜態(tài)最大誤差值在0.2deg內(nèi),動態(tài)姿態(tài)精度小于1deg(以高精度微姿態(tài)系統(tǒng)IMU520為基準(zhǔn)設(shè)備)。隨機(jī)振動和姿態(tài)輸出精度測試數(shù)據(jù)表明,系統(tǒng)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和較高的姿態(tài)輸出精度。
【圖文】：

南華大學(xué)碩士學(xué)位論文1988 年，，美國 Draper 實(shí)驗(yàn)室采用平板電容驅(qū)動和檢測閉環(huán)方法成功研制出第一款 MEMS 陀螺儀[2]，雖然該陀螺儀各項(xiàng)性能指標(biāo)不太理想，但從此拉開了微機(jī)械陀螺研究序幕。2011 年，美國 ADI 公司[3]總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)成功研制出了陀螺儀 ADIS16488，該陀螺儀量程為±450deg/s，零偏穩(wěn)定性為 3.5deg/h，封裝如圖 1.1 所示。同年，挪威 Sensonor 公司[4]也研制了一款型號為 STIM202 陀螺儀，其具有極強(qiáng)的嚴(yán)酷環(huán)境耐受力和卓越的抗震能力，量程為±400deg/s，零偏穩(wěn)定性為 0.5deg/h，體積小、功耗低并在全工作范圍內(nèi)設(shè)置有溫度補(bǔ)償，封裝如圖 1.2 所示。

南華大學(xué)碩士學(xué)位論文1988 年，美國 Draper 實(shí)驗(yàn)室采用平板電容驅(qū)動和檢測閉環(huán)方法成功研制出第一款 MEMS 陀螺儀[2]，雖然該陀螺儀各項(xiàng)性能指標(biāo)不太理想，但從此拉開了微機(jī)械陀螺研究序幕。2011 年，美國 ADI 公司[3]總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)成功研制出了陀螺儀 ADIS16488，該陀螺儀量程為±450deg/s，零偏穩(wěn)定性為 3.5deg/h，封裝如圖 1.1 所示。同年，挪威 Sensonor 公司[4]也研制了一款型號為 STIM202 陀螺儀，其具有極強(qiáng)的嚴(yán)酷環(huán)境耐受力和卓越的抗震能力，量程為±400deg/s，零偏穩(wěn)定性為 0.5deg/h，體積小、功耗低并在全工作范圍內(nèi)設(shè)置有溫度補(bǔ)償，封裝如圖 1.2 所示。
【學(xué)位授予單位】：南華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH122

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本文編號：2683049