【摘要】：位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)(Position and Attitude System,PAS)是獲取目標精確位置和姿態(tài)信息的一種裝置,現(xiàn)已廣泛應用于無人機、機器人、導航、智能穿戴等民用領域以及精確制導彈藥等軍事領域。普及的應用對PAS提出了輕量化、微型化以及更高精度的要求。此處的輕量化包括兩層含義:系統(tǒng)重量的輕量化和系統(tǒng)核心算法的輕量化;后者指在系統(tǒng)滿足使用需求的情況下,盡可能的使系統(tǒng)結構更加精簡、系統(tǒng)算法更加高效。而激光陀螺、光纖陀螺和磁懸浮機械陀螺等高精度慣性器件受價格、體積、重量、解算算法復雜度較大、平臺計算能力要求高等影響,無法得到廣泛應用:微機械慣性器件的出現(xiàn),使得位姿測量系統(tǒng)的輕量化和小型化成為可能,逐漸引領位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)的發(fā)展方向。但MEMS慣性器件靈敏度低、一致性差,嚴重制約約了其在較高精度場合下的應用。本文以微慣性器件為核心,展開對輕量型PAS系統(tǒng)的關鍵技術的研究,重點關注誤差成因、補償及標定方法、濾波和融合方法等方面,以提高基于微慣性器件的 PAS系統(tǒng)的整體精度和穩(wěn)定性。本文的主要研究工作如下:1.針對MEMS慣性器件精度切較低,誤差材種類多的問題,研究了MEMS-IMU誤差補償理論,經Allan方差法分析得出:MEMS陀螺儀的隨機誤差主要成因是其零偏不穩(wěn)定性和速率隨機游走;在對比、分析轉臺多位置標定加速度計、離心機標定加速度方案后,設計了采集鉛錘線和水平儀輔助加速度計校準的靜態(tài)六位置編排方案,簡化加速度計標定過程,實驗結果表明該方案有效,能夠對MEMS加速度計的誤差進行校準;最后采用八字校準法采集當?shù)氐卮艛?shù)據、利用最小二乘橢擬合法完成磁力計校準;對于MEMS陀螺儀校準,提出了磁力計輔助陀螺在線校準的標定算法,建立載體角速率在磁坐標系與MEMS陀螺儀角速率為主的Kalman濾波系統(tǒng)方程和地磁場感應矢量信息誤差為觀測方程,實現(xiàn)對陀螺的在線校準,提高慣性器件的測量精度的同時盡可能的降低器件的標定復雜度。2.研究SINS系統(tǒng)誤差傳遞原理及姿態(tài)更更新方法,比較了現(xiàn)有姿態(tài)解算方法的優(yōu)缺點,結合MEMS慣性器件特性,選擇以MEMS陀螺儀角速率近似計算角增量更新姿態(tài)四元數(shù),減輕系統(tǒng)算法運算量,利用多元有限擬合法完成了加速度計溫漂補償,加速度溫度漂移減小30%以上,器件隨機漂移小于4mg,提高了系統(tǒng)姿態(tài)測量精度;驗證了 MEMS慣性器件純SINS位置解算,實驗表明SINS高度通道不收斂。3.采用GNSS/SINS忪組合模式,建立了以SINS誤差量為狀態(tài)量的Kalman濾波系統(tǒng)方程和GNSS/SINS系統(tǒng)位置、速度差值為觀測量的觀測方程,實現(xiàn)了基于MEMS慣性器件的位置與姿態(tài)解算,利用系統(tǒng)驗證了系統(tǒng)的測量精度。實驗結果表明,系統(tǒng)能夠有效抑制位置誤差和姿態(tài)誤差,靜態(tài)水平定位誤差CEP(50%置信率)4米,姿態(tài)測量精度優(yōu)于0.2°;動態(tài)測試下,姿態(tài)測量精度優(yōu)于1°。
【學位授予單位】：西安工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V279;TN96
【圖文】：

系統(tǒng)概述逡逑上可以將組合導航系統(tǒng)劃分為以下幾類：無線電導航系統(tǒng)統(tǒng)之間的組合、慣性導航系統(tǒng)與數(shù)據庫參考系統(tǒng)（地形輔間的組合等模式。而實際應用中，以慣性導航系統(tǒng)和衛(wèi)星方式有松組合、緊組合、超緊組合三種結構。逡逑ＧＮＳＳ與ＳＩＮＳ提供的速度和位置比較求差值，將差值輸數(shù)的誤差信息反饋至ＳＩＮＳ系統(tǒng)，提高慣性導航精度。其式無論在硬件設計還是組合系統(tǒng)軟件的設計與調試上都相程實踐中。逡逑程實現(xiàn)簡單，有冗余信息保障系統(tǒng)精度。缺點是ＧＮＳＳ接是經過內部的Ｋａｌｍａｎ濾波處理后得到的并非真實測量的色噪聲的，普通的Ｋａｌｍａｎ濾波只能濾除白色噪聲部分，其不具降噪能力。逡逑

２．２．１邋＃＃坐標系逡逑運載體的位置、速度和姿態(tài)等特征參量是刻畫加以描述的主要對象，而運動的相對性逡逑決定了建立坐標系描述運動狀態(tài)的必然性。導航中所用的參考坐標系（如圖２－１）可分為慣逡逑性系和非慣性系兩類，圖２－１中Ｎ代表地理北極方向、Ｕ豎直指向天、Ｗ沿經線指向西。逡逑１１逡逑

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本文編號：2714739