虚拟陀螺技术在MEMS惯性导航系统中的应用

针对MEMS惯性导航系统中陀螺测量精度低的问题,采用虚拟陀螺技术提高陀螺的角速度测量精度.系统中每个测量轴放置了3个普通精度的陀螺,组成一个阵列,对同一角速度信号进行冗余检测,然后通过同类传感器信息融合技术得到输入角速率的高精度估计值.试验结果表明,虚拟陀螺的精度最大提高了2.7倍,最小1.9倍,证明了虚拟陀螺技术的有效性.

惯性陀螺技术与虚拟陀螺技术在步态参数测量应用中的对比研究

运用惯性陀螺技术(AGA)和虚拟陀螺技术(MBVG)测量在跑步机上跑步和行走时的步态参数,并对两种方法的可靠性进行对比研究。惯性陀螺技术使用一套可穿戴式无线惯性传感器,对行走和跑步中脚跟着地时刻(HS)及脚尖离地时刻(TO)进行捕捉。虚拟陀螺技术运用光学标记光电动态人体测量仪(CODA)进行动作捕捉。实验中选取了8名健康个体在跑步机上以2 kph和4 kph的速度行走,以8 kph和12kph速度跑步,采集有效数据,分别对数据进行处理。两种技术在不同速度下跨步周期时间的真误差均小于1ms,误差百分率小于1.6%。关于组内相关系数(ICC)的对比,在行走时,两种技术得出跨步周期时间数据一致(ICC>0.75);在跑步时,AGA-HMA的ICC值与AGA-ZA的ICC值高于HMA-ZA的ICC值。(1)两种陀螺技术均能够在一定程度上精确计算不同速度下的跨步周期时间。(2)在测量不同速度范围的跨步周期时,惯性陀螺技术相比虚拟陀螺技术可获得更高的信度,表明该技术可应用于较为复杂状况下的步态参数测量。(3)两种技术在测量其他步态参数如双支撑时间和摆动时间方面仍然存在信度较低等问题,实验方案可以考虑通过改变传感器位置进行进一步实验,关注可能需要的运动校准及补偿等,以提高其测量精度。

基于虚拟陀螺技术的车辆质心侧偏角估计

针对车用MEMS陀螺受成本限制,性能难以进一步提升并成为车身稳定控制系统瓶颈的问题,基于卡尔曼滤波算法融合多个陀螺的数据,结合该类型陀螺在真实场景下的实测误差值和差分法消除车载混杂噪声对于其真实量测值的影响。试验结果表明,相比于单个陀螺,由3个陀螺组成的虚拟陀螺在数据均方根误差上降低了49.74%;基于该虚拟陀螺技术设计了车辆质心侧偏角积分估计器,与采用单个陀螺相比,质心侧偏角估计误差降低了82.5%,可有效提升车辆在极限工况下的行驶稳定性,达到了车用MEMS陀螺仪成本与性能之间的良好平衡。

虚拟陀螺改进卡尔曼滤波设计

本文针对提高低精度微陀螺精度的问题展开研究,基于陀螺阵列的虚拟陀螺技术,利用滤波补偿算法,将多个具有相似特性的低精度陀螺组成陀螺阵列,提出改进的卡尔曼滤波算法将多个陀螺的输出进行数据融合,构成虚拟陀螺,并利用多陀螺数据间的相关性,对误差进行补偿消除。仿真实验结果表明,所构成的虚拟陀螺其估计残差比单陀螺减小80%以上。

基于自适应KF动态虚拟陀螺数据融合算法的研究

微机电系统(MEMS)陀螺与光纤陀螺相比,传感器的精度较低。为了提高MEMS陀螺的精度,通过组合多个相同陀螺实现虚拟陀螺的功能,同时提高虚拟陀螺的静态和动态性能。通过分析陀螺的Allan方差,并考虑陀螺之间的相关性,建立陀螺的测量模型;使用自回归(AR)模型建立预测模型,对卡尔曼滤波(KF)算法进行优化;搭建多MEMS陀螺仪硬件平台,获取数据并实时计算,融合多陀螺数据输出最优估计值,使用高精度转台分别在静态和动态条件下测试滤波效果。实验结果表明:静态条件下虚拟陀螺误差的方差可降低为单个陀螺的1/94,动态条件下降低为单个陀螺的1/18。基于自适应KF的虚拟陀螺可以显著提高精度。

虚拟陀螺随机误差分析研究

虚拟陀螺是提高MEMS陀螺测量精度的一个重要技术。为了建立MEMS陀螺的随机误差模型,更好地进行数据融合,设计了虚拟陀螺阵列硬件结构,采用Allan方差分析算法对所设计陀螺阵列中单个陀螺进行随机误差分析与建模,并与陀螺阵列滤波融合后的结果比较。实验结果表明,Allan方差分析算法可以很好地估计陀螺随机误差,对虚拟陀螺阵列的数据融合提供了比较精确的误差模型。

基于改进SPI的多量程MEMS虚拟陀螺研究

文中设计了多量程MEMS虚拟陀螺,解决了现阶段微机电系统(MEMS)虚拟陀螺不能兼容载体对陀螺仪精度和量程的问题。提出一种改进SPI的新型数据采集方式,在改善数据读取速率的同时增强了数据实时性。在静态测试中,该阵列经过滤波融合后,1σ标准差降低了76.8%,零偏不稳定性降低了89.1%;在模拟动态测试中,通过选取最佳量程数据进行滤波融合与姿态解算,该阵列最终姿态角偏离程度最小。实验结果表明多量程MEMS虚拟陀螺融合效果与降噪能力都优于单一量程虚拟陀螺。

差分阵列式虚拟高精度陀螺仪研究与实现

针对单一MEMS惯性陀螺仪精度低、随机噪声大,无法满足高精度应用场景要求的问题,提出了一种基于差分MEMS惯性传感器阵列的虚拟陀螺仪。设计并实现了由2N个消费级传感器构成的虚拟陀螺仪系统,其中正面N个传感器三轴同向,且与反面N个传感器三轴反向。2N个传感器共同组成N个差分传感器对,形成一个差分传感器阵列。同时,基于单一MEMS惯性陀螺仪的输出模型,对差分阵列式虚拟陀螺仪输出进行建模分析,通过将正反面传感器输出进行差分均值融合,实现了一个高精度虚拟陀螺仪输出。最后,利用陀螺仪零偏、零偏稳定性和Allan方差分析虚拟陀螺仪的确定性误差和随机噪声等特性。结果表明,在静止状态下,差分阵列式虚拟陀螺仪能够有效降低陀螺仪的零偏和零偏稳定性。与单一MEMS陀螺仪相比,差分阵列式虚拟陀螺仪的x,y,z轴角度随机游走降低约73%,速度随机游走降低约77%,即差分阵列式虚拟陀螺仪能有效地抑制MEMS惯性陀螺仪的随机噪声,提高传感器输出精度。

基于陀螺/星敏感器的微小卫星姿态确定方法研究

在热备份的余度配置陀螺与星敏感器的组合定姿中,典型的三轴正交陀螺与星敏感器姿态确定算法受到限制;现以某微小卫星姿控系统为对象,设计了热备份的四陀螺系统与星敏感器组合定姿方法;数据处理时,利用最小二乘法将四陀螺测量系统构建为一个虚拟三轴正交陀螺,再将虚拟陀螺与星敏感器组成卡尔曼滤波器;该方法和典型的三正交陀螺与星敏感器组合定姿结构相同,实现简单,且在一陀螺发生故障时,能在不改变滤波器结构的情况下实现对故障陀螺的屏蔽;仿真验证了该方法的有效性。

一种纬度未知的全姿态光纤陀螺寻北方法

常规光纤陀螺寻北仪采用4位置法、多位置法和旋转调制法等,当基座有俯仰角或倾斜角时均需要输入测量地纬度才能完成寻北,这种要求已制约了寻北仪在快速机动的现代战争中的应用。根据地球自转角速率为常量的特性,通过在正交坐标系中"虚拟"天向角速率测量陀螺,提出了一种仅需一个光纤陀螺和一个加速度计通过三位置转位来实现全姿态寻北的方法,该方法使寻北仪在纬度未知时也可全姿态高精度寻北,并输出载体姿态角和测量地纬度值。经工程样机验证,使用0.02(°)/h随机游走的光纤陀螺和50?g零偏重复性的加速度计可达到0.06°的寻北精度。

MEMS陀螺/半捷联稳定平台信息融合技术

采用小型MEMS陀螺敏感导引头平台和利用导航IMU的陀螺信息和框架角速度信息共同解算的半捷联技术是目前导引头小型化和结构紧凑化的最有效途径。但是,目前采用这两种方法进行导引头稳定平台控制与制导信息生成时与传统导引头控制方法相比仍存在噪声较大的问题。本文利用“虚拟陀螺”技术将这两种信号相互融合,提升信号精度、降低噪声。在分析半捷联信号生成原理、信号特性的基础上,建立了其噪声模型,利用该模型并结合MEMS陀螺的噪声模型,建立了MEMS陀螺和半捷联信号融合系统的状态方程和量测方程,并利用卡尔曼滤波方法实现对真实信号的估计,采用连续卡尔曼理论分析了稳态条件下模型中关键参数对滤波效果和带宽的影响。仿真和实验结果表明,融合系统能够大幅降低原始信号的噪声。