【摘要】：無(wú)陀螺慣性測(cè)量單元相比于有陀螺慣性測(cè)量單元,具有低成本、高可靠性和抗高沖擊的優(yōu)勢(shì),受到廣泛的關(guān)注和研究。加速度計(jì)的配置方案、誤差的建模與分析、載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的解算算法,是無(wú)陀螺慣性測(cè)量單元的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)于獲取高精度的比力和角速度信息、推進(jìn)無(wú)陀螺慣性測(cè)量單元和無(wú)陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)走向工程實(shí)用化具有重要作用。本論文研究以上無(wú)陀螺慣性測(cè)量單元的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)無(wú)陀螺慣性測(cè)量單元的配置方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究,對(duì)設(shè)計(jì)的配置方案進(jìn)行誤差建模與分析,并提出無(wú)陀螺慣性測(cè)量單元系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)算法,提高載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的解算精度,以期促進(jìn)無(wú)陀螺慣性測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,取得了以下研究成果：對(duì)無(wú)陀螺慣性測(cè)量單元配置方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,設(shè)計(jì)四種不同的十二加速度計(jì)配置方案,解決了載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)解算過(guò)程中的誤差累積和奇異性問(wèn)題,并提出了通過(guò)配置矩陣的條件數(shù),來(lái)對(duì)不同的十二加速度計(jì)配置方案進(jìn)行評(píng)估。分析了無(wú)陀螺慣性測(cè)量單元的兩類(lèi)誤差源——測(cè)量誤差和配置誤差對(duì)加速度計(jì)輸出的影響,分別建立了測(cè)量誤差和配置誤差單獨(dú)作用時(shí)的加速度計(jì)輸出誤差模型,同時(shí)也建立了兩類(lèi)誤差源綜合作用時(shí)的加速度計(jì)輸出綜合誤差模型,為實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中無(wú)陀螺慣性測(cè)量單元的誤差標(biāo)定和補(bǔ)償提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)還分析了加速度計(jì)隨機(jī)誤差對(duì)上述四種不同十二加速度計(jì)無(wú)陀螺慣性測(cè)量單元的載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)解算的影響,分析結(jié)果驗(yàn)證了上述十二加速度計(jì)配置方案評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的有效性。對(duì)無(wú)陀螺慣性測(cè)量單元的載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)解算算法進(jìn)行了研究,以上述四種不同的十二加速度計(jì)無(wú)陀螺慣性測(cè)量單元為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了兩種不同的非線性卡爾曼濾波算法——擴(kuò)展卡爾曼濾波和無(wú)跡卡爾曼濾波。利用上述兩種狀態(tài)估計(jì)算法對(duì)載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行估計(jì),從仿真結(jié)果可以看出,兩種算法都可以對(duì)載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行正確地估計(jì),并且都減小了不同的配置方案對(duì)解算精度的影響;無(wú)跡卡爾曼濾波算法對(duì)載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的解算精度要稍稍優(yōu)于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法；四種配置方案中配置方案D表現(xiàn)出最好的精度性能,這與配置方案的評(píng)估結(jié)果以及誤差分析的結(jié)論是一致的,進(jìn)一步驗(yàn)證了十二加速度計(jì)配置方案評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的有效性；特別地,對(duì)配置方案D采用無(wú)跡卡爾曼濾波算法進(jìn)行載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的解算,當(dāng)使用輸出噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為0.1m/s2的消費(fèi)電子級(jí)加速度計(jì)時(shí),解算得到的角速度精度為±0.4%FS,比消費(fèi)電子級(jí)陀螺儀的精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了兩種狀態(tài)估計(jì)算法的有效性,并且樣機(jī)實(shí)驗(yàn)得到的角速度估計(jì)的RMS誤差與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。
【圖文】：

W ２．１剛體沿固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)逡逑，，如圖２．１所示，隨著剛體的ｒ的圓形路徑運(yùn)動(dòng)，戶點(diǎn)的位置下：逡逑ｖ邋＝陽(yáng)ｘｉ＊ｐ軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，�。緸閺霓D(zhuǎn)動(dòng)尸點(diǎn)的速度Ｖ的方向與戶點(diǎn)運(yùn)導(dǎo)，可Ｗ得到Ｐ點(diǎn)的加速度ａ：逡逑ａ邋＝些＝些＂Ｐ＋化Ｘ電ｄｔ邋ｄｔ邐ｄｔ逡逑ｃｂ可ｔＵ用下式表示：

０逡逑ｉ邐圖２．２剛體繞定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)逡逑剛體繞定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)如圖２．２所示。剛體繞固定點(diǎn)０轉(zhuǎn)動(dòng)，尸點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)剛體上的逡逑ｒ逡逑＾邐Ｉ任意一點(diǎn)，１＊為從０點(diǎn)指向／＼點(diǎn)的矢徑。＜0為剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，６為剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的逡逑ｉ邐角加速度，反映角速度大小和方向的變化。通常情況下，角加速度《和角速度0＞的逡逑１逡逑方向并不一致。逡逑當(dāng)指定某一時(shí)刻剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度＜０時(shí)，采用與上節(jié)中剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)相同的逡逑分析方法，可將Ｐ的速度Ｖ可Ｗ通過(guò)向量叉積表示如下；逡逑Ｖ邋＝邋ｃＤｘｒ邐（２－６）逡逑同樣地，通過(guò)對(duì)式（２－６）求時(shí)間偏導(dǎo)，可Ｗ得到戶點(diǎn)的加速度ａ如下；逡逑ａ邋＝邋ｃｂｘｒ邋＋的邋ｘ（仍邋ｘｒ）邐（２－７）逡逑２．２．３剛體的空間運(yùn)動(dòng)逡逑剛體在空間中的一般運(yùn)動(dòng)情況通常是在上小節(jié)中繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，附加有逡逑一個(gè)平移運(yùn)動(dòng)，如圖２．３所示。剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和角加速度分別為四和？，如果逡逑
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN96

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本文編號(hào)：2552173