發(fā)布時間：2020-06-15 17:12

【摘要】：位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)(Position and Attitude System,PAS)是獲取目標(biāo)精確位置和姿態(tài)信息的一種裝置,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于無人機(jī)、機(jī)器人、導(dǎo)航、智能穿戴等民用領(lǐng)域以及精確制導(dǎo)彈藥等軍事領(lǐng)域。普及的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jī)械陀螺等高精度慣性器件受價(jià)格、體積、重量、解算算法復(fù)雜度較大、平臺計(jì)算能力要求高等影響,無法得到廣泛應(yīng)用:微機(jī)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(lǐng)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(yán)重制約約了其在較高精度場合下的應(yīng)用。本文以微慣性器件為核心,展開對輕量型PAS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的研究,重點(diǎn)關(guān)注誤差成因、補(bǔ)償及標(biāo)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(bǔ)償理論,經(jīng)Allan方差法分析得出:MEMS陀螺儀的隨機(jī)誤差主要成因是其零偏不穩(wěn)定性和速率隨機(jī)游走;在對比、分析轉(zhuǎn)臺多位置標(biāo)定加速度計(jì)、離心機(jī)標(biāo)定加速度方案后,設(shè)計(jì)了采集鉛錘線和水平儀輔助加速度計(jì)校準(zhǔn)的靜態(tài)六位置編排方案,簡化加速度計(jì)標(biāo)定過程,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案有效,能夠?qū)EMS加速度計(jì)的誤差進(jìn)行校準(zhǔn);最后采用八字校準(zhǔn)法采集當(dāng)?shù)氐卮艛?shù)據(jù)、利用最小二乘橢擬合法完成磁力計(jì)校準(zhǔn);對于MEMS陀螺儀校準(zhǔn),提出了磁力計(jì)輔助陀螺在線校準(zhǔn)的標(biāo)定算法,建立載體角速率在磁坐標(biāo)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(yīng)矢量信息誤差為觀測方程,實(shí)現(xiàn)對陀螺的在線校準(zhǔn),提高慣性器件的測量精度的同時盡可能的降低器件的標(biāo)定復(fù)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(diǎn),結(jié)合MEMS慣性器件特性,選擇以MEMS陀螺儀角速率近似計(jì)算角增量更新姿態(tài)四元數(shù),減輕系統(tǒng)算法運(yùn)算量,利用多元有限擬合法完成了加速度計(jì)溫漂補(bǔ)償,加速度溫度漂移減小30%以上,器件隨機(jī)漂移小于4mg,提高了系統(tǒng)姿態(tài)測量精度;驗(yàn)證了 MEMS慣性器件純SINS位置解算,實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yàn)證了系統(tǒng)的測量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)位授予單位】：西安工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(dǎo)航系統(tǒng)劃分為以下幾類：無線電導(dǎo)航系統(tǒng)統(tǒng)之間的組合、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫參考系統(tǒng)（地形輔間的組合等模式。而實(shí)際應(yīng)用中，以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星方式有松組合、緊組合、超緊組合三種結(jié)構(gòu)。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(dǎo)航精度。其式無論在硬件設(shè)計(jì)還是組合系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試上都相程實(shí)踐中。逡逑程實(shí)現(xiàn)簡單，有冗余信息保障系統(tǒng)精度。缺點(diǎn)是ＧＮＳＳ接是經(jīng)過內(nèi)部的Ｋａｌｍａｎ濾波處理后得到的并非真實(shí)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(biāo)系逡逑運(yùn)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(yùn)動的相對性逡逑決定了建立坐標(biāo)系描述運(yùn)動狀態(tài)的必然性。導(dǎo)航中所用的參考坐標(biāo)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(jīng)線指向西。逡逑１１逡逑

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本文編號：2714739