本文關鍵詞：三軸MEMS陀螺井下尋北的旋轉在線校準研究

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【摘要】：陀螺尋北儀是一種利用陀螺儀慣性原理實現(xiàn)自主尋北的儀器,它能夠實現(xiàn)全天候、全方位、自主、快速的方向測定,具有精度高、連續(xù)工作時間長等優(yōu)點。微機電系統(tǒng)(micro electro mechanical systems,MEMS)陀螺儀具有體積小、強抗沖擊振動、成本低、可靠性高等傳統(tǒng)慣性傳感器所不兼具的優(yōu)點,因此,基于MEMS陀螺儀的井下尋北系統(tǒng)成為一個很有潛力的發(fā)展方向。鑒于單軸MEMS陀螺儀測量精度低、受井下復雜環(huán)境影響及常見尋北方法不適用的局限性,論文提出了一種旋轉在線校準方案實現(xiàn)三軸MEMS陀螺儀的井下尋北,主要工作如下:1.闡述了基于三軸MEMS陀螺儀井下尋北的研究背景及意義;概述了國內外尋北技術的研究現(xiàn)狀,包括羅經式尋北儀、捷聯(lián)式陀螺儀尋北儀及MEMS陀螺尋北技術的發(fā)展現(xiàn)狀。概述尋北技術及MEMS陀螺的原理,并分別介紹二位置尋北、四位置尋北、多位置尋北以及連續(xù)動態(tài)尋北方案�；诖�,論文展開了基于三軸MEMS陀螺儀井下尋北的旋轉在線校準研究,本方案具有漂移小、成本低等優(yōu)勢。2.分析三軸MEMS陀螺儀的噪聲來源,通過Allan方差分析法對三軸MEMS陀螺儀約1小時的靜態(tài)數(shù)據(jù)進行分析,得到各項噪聲源的誤差系數(shù),且量化噪聲占主要因素。通過卡爾曼濾波對MEMS陀螺儀原始數(shù)據(jù)的濾波處理,量化噪聲系數(shù)和角度隨機游走系數(shù)降低1~2個數(shù)量級,其他噪聲系數(shù)略微下降。針對三軸MEMS陀螺儀受安裝誤差影響,提出改進的標定算法,測量精度提高約2個數(shù)量級;針對三軸MEMS陀螺儀受溫度漂移影響,運用改進灰色預測模型及最小二乘法對零偏進行溫度補償,MEMS陀螺儀零偏的平均絕對誤差減小到0.4806mV。3.利用三軸MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)通過四元素法進行更新獲得實時的姿態(tài)角信息,再通過旋轉控制系統(tǒng)對姿態(tài)角進行轉位控制及尋北值的確定,實現(xiàn) 在線‖校準研究。從四種情況展開三軸MEMS陀螺儀井下尋北的旋轉在線校準實驗設計,通過實驗結果的對比分析,尋北結果的最大均方根誤差和最大平均絕對誤差分別為0.9067°和0.9100°,驗證了旋轉在線校準方案的可行性,精度高,且重復性好。
【關鍵詞】：MEMS陀螺儀 Allan方差 卡爾曼濾波 旋轉在線校準 尋北
【學位授予單位】：重慶郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN96
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-12
• 注釋表12-13
• 第1章 緒論13-22
• 1.1 研究背景及意義13-16
• 1.1.1 研究背景13-15
• 1.1.2 研究意義15-16
• 1.2 國內外尋北技術的研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2.1 羅經式尋北儀發(fā)展現(xiàn)狀16-17
• 1.2.2 捷聯(lián)式陀螺尋北儀發(fā)展現(xiàn)狀17-18
• 1.2.3 MEMS陀螺尋北技術的發(fā)展現(xiàn)狀18-19
• 1.3 論文主要內容與組織結構19-22
• 1.3.1 論文主要內容19-21
• 1.3.2 論文組織結構21-22
• 第2章 MEMS陀螺儀尋北基本理論22-34
• 2.1 尋北相關概述22-24
• 2.1.1 尋北技術22
• 2.1.2 尋北分類22-23
• 2.1.3 MEMS陀螺的原理23-24
• 2.2 常見的尋北方法24-27
• 2.2.1 二位置尋北24-25
• 2.2.2 四位置尋北25-26
• 2.2.3 多位置尋北26-27
• 2.2.4 連續(xù)動態(tài)尋北27
• 2.3 基于三軸MEMS陀螺儀的井下尋北方案27-32
• 2.3.1 尋北相關坐標系及變換27-29
• 2.3.2 基于三軸MEMS陀螺儀的井下尋北方案29-32
• 2.4 尋北方案的比較32-33
• 2.5 本章小結33-34
• 第3章 MEMS陀螺儀噪聲分析與數(shù)據(jù)處理34-56
• 3.1 MEMS陀螺儀的噪聲分析34-41
• 3.1.1 噪聲來源34
• 3.1.2 Allan方差原理34-36
• 3.1.3 噪聲特性分析36-38
• 3.1.4 MEMS陀螺的誤差特性38-41
• 3.2 Kalman濾波在MEMS陀螺儀中的應用41-44
• 3.2.1 卡爾曼濾波原理41-42
• 3.2.2 實驗結果分析42-44
• 3.3 MEMS陀螺儀的安裝誤差校準44-49
• 3.3.1 三軸MEMS陀螺標定方案45-46
• 3.3.2 標定系數(shù)計算46-47
• 3.3.3 實驗結果分析47-49
• 3.4 MEMS陀螺儀的零偏溫度補償49-54
• 3.4.1 MEMS陀螺儀的溫度特性50
• 3.4.2 灰色預測理論50-53
• 3.4.3 實驗結果分析53-54
• 3.5 本章小結54-56
• 第4章 三軸MEMS陀螺儀井下尋北的旋轉在線校準的實現(xiàn)56-62
• 4.1 旋轉在線校準的算法實現(xiàn)56-57
• 4.2 四元素法確定姿態(tài)角57-59
• 4.3 旋轉控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)59-60
• 4.3.1 橫滾角和俯仰角旋轉控制系統(tǒng)的設計59-60
• 4.3.2 橫滾角和俯仰角旋轉控制系統(tǒng)的實現(xiàn)60
• 4.4 尋北值的確定60-61
• 4.5 本章小結61-62
• 第5章 基于三軸MEMS陀螺儀井下尋北實驗62-75
• 5.1 實驗平臺搭建及數(shù)據(jù)通信62-66
• 5.1.1 實驗平臺搭建62-63
• 5.1.2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議63-64
• 5.1.3 數(shù)據(jù)采集模塊軟件實現(xiàn)64-66
• 5.2 基于三軸MEMS陀螺儀井下尋北的旋轉在線校準實驗66-74
• 5.2.1 實驗設計66
• 5.2.2 實驗流程66-68
• 5.2.3 實驗及結果分析68-74
• 5.3 本章小結74-75
• 第6章 總結與展望75-78
• 6.1 本文工作總結75-76
• 6.2 未來工作展望76-78
• 參考文獻78-84
• 附錄A 姿態(tài)儀傳輸數(shù)據(jù)定義84-85
• 致謝85-86
• 攻讀碩士學位期間從事的科研工作及取得的成果86-87

【參考文獻】

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本文編號：648379