【摘要】：無陀螺慣性測量單元相比于有陀螺慣性測量單元,具有低成本、高可靠性和抗高沖擊的優(yōu)勢,受到廣泛的關(guān)注和研究。加速度計的配置方案、誤差的建模與分析、載體運動參數(shù)的解算算法,是無陀螺慣性測量單元的關(guān)鍵技術(shù),對于獲取高精度的比力和角速度信息、推進(jìn)無陀螺慣性測量單元和無陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)走向工程實用化具有重要作用。本論文研究以上無陀螺慣性測量單元的關(guān)鍵技術(shù),對無陀螺慣性測量單元的配置方案進(jìn)行設(shè)計和研究,對設(shè)計的配置方案進(jìn)行誤差建模與分析,并提出無陀螺慣性測量單元系統(tǒng)狀態(tài)的估計算法,提高載體運動參數(shù)的解算精度,以期促進(jìn)無陀螺慣性測量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,取得了以下研究成果：對無陀螺慣性測量單元配置方案的設(shè)計進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,設(shè)計四種不同的十二加速度計配置方案,解決了載體運動參數(shù)解算過程中的誤差累積和奇異性問題,并提出了通過配置矩陣的條件數(shù),來對不同的十二加速度計配置方案進(jìn)行評估。分析了無陀螺慣性測量單元的兩類誤差源——測量誤差和配置誤差對加速度計輸出的影響,分別建立了測量誤差和配置誤差單獨作用時的加速度計輸出誤差模型,同時也建立了兩類誤差源綜合作用時的加速度計輸出綜合誤差模型,為實際工程實現(xiàn)中無陀螺慣性測量單元的誤差標(biāo)定和補償提供了理論基礎(chǔ)。同時還分析了加速度計隨機誤差對上述四種不同十二加速度計無陀螺慣性測量單元的載體運動參數(shù)解算的影響,分析結(jié)果驗證了上述十二加速度計配置方案評估標(biāo)準(zhǔn)的有效性。對無陀螺慣性測量單元的載體運動參數(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無陀螺慣性測量單元為研究對象,設(shè)計了兩種不同的非線性卡爾曼濾波算法——擴展卡爾曼濾波和無跡卡爾曼濾波。利用上述兩種狀態(tài)估計算法對載體運動參數(shù)進(jìn)行估計,從仿真結(jié)果可以看出,兩種算法都可以對載體運動參數(shù)進(jìn)行正確地估計,并且都減小了不同的配置方案對解算精度的影響;無跡卡爾曼濾波算法對載體運動參數(shù)的解算精度要稍稍優(yōu)于擴展卡爾曼濾波算法；四種配置方案中配置方案D表現(xiàn)出最好的精度性能,這與配置方案的評估結(jié)果以及誤差分析的結(jié)論是一致的,進(jìn)一步驗證了十二加速度計配置方案評估標(biāo)準(zhǔn)的有效性；特別地,對配置方案D采用無跡卡爾曼濾波算法進(jìn)行載體運動參數(shù)的解算,當(dāng)使用輸出噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為0.1m/s2的消費電子級加速度計時,解算得到的角速度精度為±0.4%FS,比消費電子級陀螺儀的精度高一個數(shù)量級。樣機實驗結(jié)果進(jìn)一步驗證了兩種狀態(tài)估計算法的有效性,并且樣機實驗得到的角速度估計的RMS誤差與仿真實驗結(jié)果是一致的。
【圖文】：

W ２．１剛體沿固定軸的轉(zhuǎn)動逡逑，，如圖２．１所示，隨著剛體的ｒ的圓形路徑運動，戶點的位置下：逡逑ｖ邋＝陽ｘｉ＊ｐ軸轉(zhuǎn)動的角速度，�。緸閺霓D(zhuǎn)動尸點的速度Ｖ的方向與戶點運導(dǎo)，可Ｗ得到Ｐ點的加速度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剛體繞定點的轉(zhuǎn)動逡逑剛體繞定點的轉(zhuǎn)動如圖２．２所示。剛體繞固定點０轉(zhuǎn)動，尸點為轉(zhuǎn)動剛體上的逡逑ｒ逡逑＾邐Ｉ任意一點，１＊為從０點指向／＼點的矢徑。＜0為剛體轉(zhuǎn)動的角速度，６為剛體轉(zhuǎn)動的逡逑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)指定某一時刻剛體轉(zhuǎn)動的角速度＜０時，采用與上節(jié)中剛體繞定軸轉(zhuǎn)動相同的逡逑分析方法，可將Ｐ的速度Ｖ可Ｗ通過向量叉積表示如下；逡逑Ｖ邋＝邋ｃＤｘｒ邐（２－６）逡逑同樣地，通過對式（２－６）求時間偏導(dǎo)，可Ｗ得到戶點的加速度ａ如下；逡逑ａ邋＝邋ｃｂｘｒ邋＋的邋ｘ（仍邋ｘｒ）邐（２－７）逡逑２．２．３剛體的空間運動逡逑剛體在空間中的一般運動情況通常是在上小節(jié)中繞定點轉(zhuǎn)動的基礎(chǔ)上，附加有逡逑一個平移運動，如圖２．３所示。剛體轉(zhuǎn)動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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN96

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本文編號：2552173