MEMS旋转调制式航姿参考系统设计及误差补偿

一种用于MEMS-IMU的单轴旋转调制方法盛蔚;巩青【期刊名称】《计算机仿真》【年(卷),期】2018(035)003【摘要】旋转调制是一种提高惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)性能的有效方法.但是微机电惯性测量单元(Mi-cro Electro Mechanical System Inertial Measurement Unit,MEMS-IMU)由于器件精度低、零偏较大,采用旋转调制技术的误差补偿效果并不理想.另一方面,想要实现对陀螺仪三轴误差的补偿,必须采用双轴调制方案,但这样会使系统结构变得复杂,体积增大,降低系统的可靠性和实用性.针对上述问题,提出了一种正反旋转,非正交安装的单轴调制方案,能实现对陀螺仪三轴误差的有效补偿.为了保证在低精度的MEMS-IMU上运用调制方案的实用性,进一步分析了MEMS-IMU中零偏不稳定和零偏周期项误差对系统的影响,对调制方案进行了优化.经过实验验证,上述方案结构简单可靠,能有效减小载体的姿态误差,提高MEMS-IMU独立进行惯导解算的能力.%Rotary modulation is an effective method for improving the performance of inertial measurement unit (IMU for short).However,applying rotary modulation method to the Micro Electro Mechanical System Inertial Measurement Unit (MEMS-IMU for short) doesn't work well for its low precision and large constantdrift.On the other hand,in order to compensate all the three-axe gyroscope constant error,we have to adopt a double-axe modulation method.But this method makes the system heavier and more complex,thus reduces reliability and practicality of the system.In order to deal with the problemsjust mentioned,this paper firstly introduces a single-axial rotary method with back and forth continuous rotating and inclined mounting,which compensates the whole error of triaxial gyro.Secondly,for the purpose of ensuring effectiveness of modulation method for MEMS-IMU,this paper conducts further analysis on the instability of constant drift error and period error,then figures out how these errors influence the system,and optimizes the modulation method at last.Some experiments were conducted and has proved that this method is simple and reliable,works effectively in reducing altitude error,and enhances the ability to work independently in navigation system for MEMS-IMU.【总页数】6页(P50-54,70)【作者】盛蔚;巩青【作者单位】北京航空航天大学,北京100191;北京航空航天大学,北京100191【正文语种】中文【中图分类】V241.6【相关文献】1.一种单陀螺单加速度计旋转调制寻北方法 [J], 李海军;徐海刚;裴玉锋;郭元江;孙伟2.用于旋转调制捷联惯导系统的旋转控制方法 [J], 刘芳;王玮;张仲毅3.一种适用于单轴MEMS倾角仪的快速标定方法及实现 [J], 兰洋;李杰;张波;刘一鸣;张艳艳;胡陈君4.四陀螺冗余配置的单轴旋转调制捷联惯导方法 [J], 杜红松;牟宏杰;程建华5.某型舰载单轴旋转调制捷联惯导姿态角误差修正方法 [J], 周海渊;潘良;赵李健;王前学因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

单轴旋转调制捷联惯导系统倾斜角误差补偿高延滨;管练武;王庭军【期刊名称】《中国惯性技术学报》【年(卷),期】2013(000)004【摘要】安装在单轴转位机构上的惯性测量单元(IMU)，会因IMU坐标系与载体坐标系不重合而存在一定的倾斜角，此倾斜角会使得IMU在旋转过程中引入姿态误差，在很大程度上降低了系统的姿态输出精度。

为了降低安装倾斜角对旋转式捷联惯导系统的影响，文章通过对旋转过程中因安装倾斜引起的姿态角误差进行了详细分析，然后运用实验和数据拟合的方法得出了倾斜角随转位机构变化的规律，最后对倾斜角产生的误差加以补偿。

经仿真和实验验证表明，对倾斜角误差补偿后，单轴旋转式捷联惯性导航系统的水平姿态精度由原先的2°提高到0.05°范围以内，航向误差由原先的0.5°提高到0.005°，大大提高了旋转式捷联惯导系统的姿态精度，具有一定的工程应用价值。

%There is an inclination angle between inertial measurement unit (IMU) coordinate system and vehicle coordinate system when the rotary strap-down inertial navigation system (SINS) mounted on the single-axis indexing mechanism, for the IMU could introduce attitude computation error and degrade the attitude output accuracy of vehicle. In order to reduce the impact of installation inclination angle on rotary SINS, this paper analyzes the attitude errors caused by installation inclination angle deviation, and then derives the rotation principle with the installation azimuth angle by experiments and data fitting methods. Finally,the inclination angle deviation is compensated. Thesimulation and experiment results show that, after inclination angle deviation compensation, the horizontal attitude deviation is decreased to 0.05° from 2°, and the yaw deviation is decreased to 0.005° from 0.5°, which greatly improves the attitude accuracy of rotary SINS and has a certain value of engineering applications.【总页数】6页(P446-451)【作者】高延滨;管练武;王庭军【作者单位】哈尔滨工程大学自动化学院，哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学自动化学院，哈尔滨 150001;中国电子科技集团公司第十六研究所，西安 710000【正文语种】中文【中图分类】U666.1【相关文献】1.捷联惯导系统单轴旋转调制技术研究 [J], 尹伟伟;吴苗2.捷联惯导系统单轴旋转调制误差传播机理研究 [J], 董巍巍;李钊;李建军;李冰;胡礼勇3.车载旋转调制捷联惯导系统最优对准技术 [J], 汪徐胜;杨建业;宋仔标;蔚国强4.捷联惯导系统的捷联算法误差补偿 [J], 吴俊伟;黄德鸣5.双轴旋转调制捷联惯导系统旋转方案优化设计 [J], 谢元平;范会迎;王子超;罗晖;于旭东因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

2010年第29卷第3期 传感器与微系统(T r a n s d u c e r a n dM i c r o s y s t e mT e c h n o l o g i e s)M E M S陀螺误差辨识与补偿谈振藩,张勤拓(哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001)摘　要:由于制造工艺等原因,M E M S陀螺的随机漂移非常大,严重影响了系统的性能。

通过自制的基于M E M S的捷联惯导系统的相关实验,对M E M S陀螺的确定性误差和随机误差分别进行了辨识和补偿。

完成确定性误差补偿,对M E M S陀螺随机误差进行了时间序列分析,并建立了A R模型,根据所选模型参数建立了随机误差的系统方程,采用经典卡尔曼滤波进行随机误差补偿。

实验结果说明:无论是静态下还是动态下,补偿后信号的方差都大大下降,说明了滤波效果较为明显,具有一定的工程应用价值。

关键词:M E M S陀螺;时间序列分析;A R模型;卡尔曼滤波中图分类号:T P212 文献标识码:A 文章编号:1000—9787(2010)03—0039—03E r r o r i d e n t i f i c a t i o na n dc o m p e n s a t i o no f ME MSg y r o s c o p eT A NZ h e n-f a n,Z H A N GQ i n-t u o(C o l l e g e o f A u t o m a t i o n,H a r b i nE n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,H a r b i n150001,C h i n a)A b s t r a c t:M E M Sg y r o's r a n d o m d r i f t i s v e r yl a r g e,b e c a u s eo f t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n do t h e r r e a s o n s,w h i c hs e r i o u s l y a f f e c t o n s y s t e mp e r f o r m a n c e.T h r o u g h e x p e r i m e n t s o f M E M S s t r a p d o w n i n e r t i a l n a v i g a t i o ns y s t e m,d e t e r m i n i s t i c a n ds t o c h a s t i c e r r o r w a s i d e n t i f i e da n dc o m p e n s a t e d.A f t e r d e t e r m i n i s t i ce r r o r w a s c o m p e n s a t e d,t h es t o c h a s t i ce r r o r w a s a n a l y z e d b a s e d o nt i m e s e r i e s a n dA Rm o d e l w a s s e t u p.S y s t e m e q u a t i o no f s t o c h a s t i ce r r o rw a s e s t a b l i s h e d b a s e d o nt h e s e l e c t e dm o d e l a n dt h ee r r o r w a s c o m p e n s a t e db y K a l m a nF i l t e r.T e s t r e s u l t s s h o wt h a t v a r i a n c e o f M E M S g y r o s c o p e s t o c h a s t i c e r r o r r e d u c e d g r e a t l y a f t e r f i l t e r,w h i c h i l l u s t r a t e s t h e f i l t e r i n g e f f e c t i so b v i o u s,a n d h a s a c e r t a i nv a l u e o f e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n.K e yw o r d s:M E M S g y r o s c o p e;t i m e s e r i e s a n a l y s i s;A Rm o d e l;K a l m a nf i l t e r0　引　言微机电系统(m i c r o-e l e c t r o-m e c h a n i c a l-s y s t e m,M E M S)陀螺仪已经出现了近二十年[1],与其他陀螺相比,M E M S陀螺在体积、成本、功耗和抗冲击能力等方面都存在很大优势,但由于早期精度较低,并没有引起重视。

基于旋转IMU的捷联惯导系统自补偿技术研究的开
题报告
一、选题背景和意义
惯性导航系统是一种自主导航技术，它可以利用高精度惯性测量单
元（IMU）和精密时钟来测量车辆的运动状态。

自动驾驶、高精度导航等领域都需要惯性导航系统的支持。

但是惯性导航系统存在着误差积累的
问题，需要通过组合导航的方式进行校正，因此需要进行系统自补偿技
术的研究。

二、研究内容和目标
本课题主要针对旋转IMU的捷联惯导系统自补偿技术进行研究。

旋
转IMU的特点是在转动状态下测量姿态和加速度，这种情况下需要进行
自补偿技术的优化，以获得更高的精度和可靠性。

本研究的目标是设计
和实现一种自补偿技术，可以降低系统误差，并提高导航精度和稳定性。

三、研究方法和步骤
1.研究旋转IMU的捷联惯导系统动力学模型，分析误差来源和影响
因素。

2.设计自补偿算法，可以通过对测量数据的处理来降低误差，包括
误差模型、状态估计和观测方案等。

3.设计实验方案，用于验证算法的有效性和性能，包括实验设备的
配置、数据采集、处理和分析等。

4.进行实验验证，评估算法的性能，并通过对比实验评估系统的导
航精度和稳定性。

四、预期成果和意义
本研究一旦成功，将能够设计和实现一种旋转IMU的捷联惯导系统自补偿技术，能够降低系统误差，并提高导航精度和稳定性。

该技术可以广泛应用于自动驾驶、高精度导航等领域，推动相关技术的发展和应用。

一种新型MEMS微惯性姿态系统自动化误差标定方法
魏爱娟;李明勇
【期刊名称】《水雷战与舰船防护》
【年(卷),期】2018(026)001
【摘要】针对MEMS微惯性姿态系统精度不高、标定花费时间长和人工参与标定步骤较多等问题,引入一种新型MEMS微惯性姿态系统自动化误差标定方法.该方法通过设置转台速率运行方式测量不同的角速率,经解算标定出零位、刻度因子、交叉耦合系数及安装误差角.试验验证表明,采用此标定方法原理简单、易于实现,能较好地补偿MEMS微惯性航姿系统的误差,提高导航精度.
【总页数】5页(P63-67)
【作者】魏爱娟;李明勇
【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一○研究所,湖北宜昌443003;中国船舶重工集团公司第七一○研究所,湖北宜昌443003
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
1.微惯性测量组合安装误差标定方法研究
2.一种提高MEMS微惯性航姿系统精度的方法设计与实现
3.一种基于MEMS的微惯性测量单元标定补偿方法
4.MEMS-IMU构型设计及惯性器件安装误差标定方法
5.一种新型微惯性姿态测量系统的\r 系统误差补偿及标定方法
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惯性导航系统中的误差补偿与姿态控制策略导航系统在现代航空、航天以及各种导航应用中起着至关重要的作用。

惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）是一种通过测量运动物体的加速度和角速度来确定其位置、速度和姿态的技术。

然而，由于硬件、测量误差以及环境因素的影响，INS系统往往存在着误差，这些误差会导致导航精度的下降，因此需要采取误差补偿与姿态控制策略来提高系统性能。

误差来源：首先，我们需要了解INS系统中可能出现的误差来源。

惯性测量单元（IMU）是INS的核心组件之一，由加速度计和陀螺仪组成，它们用于测量物体的加速度和角速度。

然而，IMU的制造和使用过程中会引入各种误差，如漂移误差、偏置误差和尺度因子误差等。

此外，INS系统在导航过程中还会受到温度变化、地球自转以及外部干扰等环境因素的影响。

所有这些误差都会对导航精度产生不利影响，因此需要在系统设计中考虑误差补偿与姿态控制策略。

误差补偿策略：为了提高INS系统的性能，各种误差补偿策略被应用在实际导航中。

其中最常用的误差补偿方法包括卡尔曼滤波、全局定位系统（GPS）融合、非线性优化算法等。

卡尔曼滤波是一种基于状态空间模型的估计方法，可用于估计导航中的位置、速度和姿态等参数。

它通过对测量值和系统模型进行加权平均，从而估计系统的状态并减小误差。

卡尔曼滤波算法在INS系统中广泛应用，因为它能够有效地处理噪声和不确定性，并提供滤波值的最优估计。

然而，卡尔曼滤波算法对系统动态模型的假设要求较高，因此在实际应用中需要对系统建模和参数估计进行精确分析。

GPS融合是另一种常用的误差补偿策略。

INS和GPS具有互补的特性，INS能够提供连续和精确的导航信息，而GPS可以提供绝对位置和速度。

通过将两者的信息融合，可以减小INS和GPS各自存在的误差，提高导航精度。

基于GPS融合的方法主要包括扩展卡尔曼滤波、粒子滤波和紧耦合融合等。

这些方法通过同时考虑INS和GPS的测量值和模型，从而减小误差并提高导航性能。

无人机MEMS加速度计的混合误差补偿引言惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）是无人机的基本组成部分，是无人机维持正常飞行的重要依赖。

惯性导航系统多由多个不同类型的惯性传感器件组成，通过多个传感器返回不同数据进行数据融合，从而得到较为精确的姿态参数。

加速度计是惯性导航系统中常见的组成部分。

常用的MEMS加速度计由于制造工艺与传感器安装等条件限制，加速度计的数据输出中含有固定存在或者周期性存在的噪声，噪声在后续的数据融合、姿态估算中参与计算，将会给后续计算带来较大误差，进而影响导航系统的正常工作。

因此，对未参与数据融合的加速度计的数据进行预处理，是一种目前常见的手段。

国内外学者会根据不同需求，对加速度计存在的不同误差进行针对性测量与修正，以达到工作目标。

文献[-]中，对加速度计进行重力法标定，适合对静态灵敏度误差和零位偏移误差进行测量与标定。

文献[-]中采用极限学习机、BP神经网络进行误差修正，得出一组隐式补偿参数，利用这组补偿参数对加速度计输出进行补偿。

文献[-]中对振动状态下加速度计的输出数据进行分析，滤除振动条件下特有的高频噪声。

文献[-]中针对重力法中需要大型标定台的缺陷，采用椭球拟合方法，进一步简化了误差测量对设备的需求。

本文将针对加速度计的零位偏移误差、灵敏度误差、非正交误差以及轴间串扰进行误差分析，并通过MEMS加速度计传感器进行试验，证明算法的有效性。

试验结果表明，该算法可以有效滤除加速度计中的误差，大幅提高加速度计在飞行运动中的测量精度。

三轴加速度计误差模型. 三轴加速度计误差分析文獻[-]中描述了三轴MEMS加速度计的测量结果受生产技术与制作工艺的限制，产生的固有误差主要包括零位偏移误差、灵敏度误差、非正交误差以及轴间串扰。

零位偏移误差受制作工艺的影响，无加速度输入时，加速度计也会存在一定非零输出，可以使用常量a表示，a∈R。

灵敏度误差产生的原因在于三轴模拟信号与数字输出比例不完全一致，可以采用一个对角矩阵Sa=diag（Sax，Say，Saz）表示。

MEMS陀螺正交误差分析与仿真MEMS陀螺是一种基于微机电系统(MEMS)技术制造的陀螺仪，广泛应用于导航、飞行控制、惯导系统等领域。

然而，由于制造过程和外部环境的影响，MEMS陀螺存在一定的正交误差，对其性能和精度造成了一定的影响。

因此，对MEMS陀螺的正交误差进行分析与仿真，有助于进一步优化设计和提高性能。

首先，我们来介绍下MEMS陀螺的正交误差。

MEMS陀螺的正交误差主要包括三个方面：比例误差、零偏误差和比例零偏耦合误差。

比例误差是指完成一个旋转周期，陀螺输出的角度与实际旋转角度之间的偏差。

零偏误差是指在无旋转情况下，陀螺输出的角度不为零。

比例零偏耦合误差是指比例误差和零偏误差之间的相互影响。

为了准确分析和仿真MEMS陀螺的正交误差，首先需要建立相应的数学模型。

MEMS陀螺的运动方程可以由角速度和角位移之间的关系来描述。

常用的数学模型有马宏陀螺运动方程和欧拉利用方程。

马宏陀螺运动方程是通过陀螺输出信号和陀螺器件的几何参数来建立陀螺的数学模型。

它将陀螺的转动运动分解为三个轴向的旋转运动，即偏航、俯仰和横滚。

通过求解这些方程可以得到陀螺的输出角速度和角位移。

欧拉利用方程则是通过陀螺的角速度和初始条件来描述陀螺的转动运动。

根据欧拉利用方程，可以得到陀螺的转动角速度与初始条件之间的关系。

通过比较模型输出值与实际测量值，可以进一步分析陀螺的正交误差。

在实际的分析和仿真过程中，可以使用软件工具例如MATLAB或者Simulink来建立数学模型，并进行正交误差的仿真分析。

通过调整模型参数和输入条件，可以模拟不同工作状态下的MEMS陀螺性能和误差变化情况。

此外，为了更准确地分析MEMS陀螺的正交误差，还可以进行实验验证。

通过与实际测量数据进行比较，可以验证仿真模型的准确性，并优化模型参数，提高其精度和可靠性。

总结起来，MEMS陀螺的正交误差分析与仿真是对其性能和精度进行优化的重要步骤。

通过建立数学模型，利用仿真工具进行仿真分析，并结合实际实验验证，可以全面了解MEMS陀螺的正交误差特性，并为进一步的设计和优化提供参考依据。