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MEMS INS/GPS组合导航系统设计

作　者: 詹俊妮
导　师: 高延滨
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 组合导航惯性导航全球定位系统石英音叉陀螺扩展卡尔曼滤波
分类号: TN967.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

石英音叉陀螺和石英振梁加速度计是应用MEMS工艺制作的新型惯性器件，在国外，它们已经广泛应用于汽车安全、战术导弹、智能炸弹等领域。本论文以陕西麟德公司研制的石英音叉陀螺和石英振梁加速度计为主要器件，设计了基于这类器件与GPS的组合导航系统。系统硬件以FPGA为主要芯片，构建了基于SOPC的嵌入式导航计算机，软件以捷联惯性导航算法、EKF滤波算法为主，初步实现了组合导航系统的基本功能，经过测试表明其水平姿态误差为0.1°，并长期工作不发散，航向角在动态跟踪时精度在0.5°以内。论文工作主要包括以下几个方面：(1)构建基于SOPC的嵌入式系统，为导航算法与误差补偿的研究提供硬件实验平台。从音叉陀螺、振梁加速度计、GPS接收机和地磁传感器这4个主要器件的原理、性能入手，对系统进行了整体构成与设计，主要包括在MIMU尺寸结构基础上进行的电路板设计、电气连接、频率测量Verilog模块设计、SOPC内核构建以及底层驱动设计。(2)在硬件实验平台的基础上，分析了惯性器件及其系统的模型和误差。对所采集数据的随机误差进行了数字滤波，并利用Allan分析得到相关随机误差参数；对惯性器件进行标定，再建立MIMU静态误差模型，设计了系统标定实验并进行补偿；对器件非线性误差进行了测试与补偿；最后进行了重复性测试，得到惯性器件的零偏、零偏稳定性和零偏重复性指标。(3)简要介绍了捷联导航、初始对准原理，对捷联算法采用仿真数据进行了仿真实验；结合惯性器件精度详细介绍了忽略哥氏加速度项和地球自转的EKF滤波算法，并用实际采样数据对该算法进行了仿真分析，仿真得到姿态误差为±0.05°，速度误差为±0.2m/s，位置误差最大为-4m。通过仿真分析，对实际嵌入式软件的设计提供了指导。(4)最后对系统进行了静、动态测试，分析了实验结果，同时对系统提出了改进建议。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题研究的背景和意义  10
  1.2 MEMS 惯性器件发展现状  10-13
    1.2.1 石英音叉陀螺  11-13
    1.2.2 石英振梁加速度计  13
  1.3 MEMS INS/GPS 组合导航系统发展现状  13-15
  1.4 论文主要内容  15-16
第2章系统总体构成及设计  16-43
  2.1 系统主要元件及其原理  16-21
    2.1.1 石英音叉陀螺 LDT-20F2-0200GA  16-17
    2.1.2 石英振梁加速度计 LDJ-110FGA  17-19
    2.1.3 GPS 接收机 GARMIN GPS 15L  19-20
    2.1.4 地磁传感器 HMC5883L  20-21
  2.2 MEMS IMU 设计  21-22
  2.3 系统硬件设计  22-35
    2.3.1 需求分析与电路规划  22-23
    2.3.2 系统整体电路构建  23-24
    2.3.3 FPGA 系统板设计  24-27
    2.3.4 数据采集板设计  27-33
    2.3.5 电源通信板设计  33-35
  2.4 系统软件平台的构建  35-42
    2.4.1 加速度计频率测量设计  35-38
    2.4.2 FPGA 基础平台搭建  38-40
    2.4.3 底层驱动设计  40-42
  2.5 本章小结  42-43
第3章标定与误差分析  43-66
  3.1 采样信号数字滤波处理  43-47
    3.1.1 限幅滤波  43-44
    3.1.2 基于 3σ 准则的奇异数据滤波  44
    3.1.3 滑动平均  44-45
    3.1.4 数字低通滤波  45-47
  3.2 惯性器件标定  47-49
    3.2.1 试验环境及设备介绍  47-48
    3.2.2 惯性器件标定  48-49
  3.3 系统标定与静态误差补偿  49-55
    3.3.1 MIMU 系统静态误差模型  50-51
    3.3.2 系统标定  51-53
    3.3.3 标定结果  53-54
    3.3.4 静态误差补偿及精度  54-55
  3.4 Allan 方差分析  55-58
    3.4.1 Allan 分析原理  55-57
    3.4.2 Allan 方差试验结果  57-58
  3.5 非线性测试  58-64
    3.5.1 非线性误差数学模型  59
    3.5.2 非线性测试  59-64
  3.6 重复性测试  64-65
  3.7 本章小结  65-66
第4章系统软件算法与仿真  66-81
  4.1 捷联惯性导航原理  66-68
    4.1.1 参考坐标系  66
    4.1.2 导航方程  66-67
    4.1.3 捷联矩阵的更新与姿态角的计算  67-68
    4.1.4 当地地理导航坐标系机械编排  68
  4.2 初始对准  68-71
  4.3 捷联仿真分析  71-72
    4.3.1 仿真实验一  71-72
    4.3.2 仿真实验二  72
  4.4 组合导航系统算法实现  72-77
    4.4.1 系统数学模型的建立  72-75
    4.4.2 系统 EKF 滤波算法  75-77
  4.5 组合系统算法仿真分析  77-80
  4.6 本章小结  80-81
第5章系统试验验证  81-86
  5.1 静态试验  81-83
    5.1.1 偏航试验  81-82
    5.1.2 倾斜试验  82-83
  5.2 动态试验  83-85
    5.2.1 横摇角摇摆实验  83-84
    5.2.2 纵摇角摇摆试验  84-85
  5.3 进一步提高系统精度方法探讨  85
  5.4 本章小结  85-86
结论  86-87
参考文献  87-92
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  92-93
致谢  93-94
附录  94

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