低成本MIMU/GPS组合导航系统设计与实验

高精度惯性传感器的昂贵价格在一定程度上限制了惯性导航系统(INS)的进一步推广应用,然而低成本微型惯性测量单元(MIMU)的出现,为INS的推广应用了带来了新的契机。文中提出了一种适合于工程应用的低成本MIMU/GPS组合导航系统的结构与方案,并给出了组合导航系统位置速度交替组合模式的数学模型。考虑到未知工作环境中各类噪声统计参数的未确定性易使经典的卡尔曼滤波器发散,因此文中采用了闭环自适应卡尔曼滤波器对子系统的数据进行融合处理;设计了低成本的组合导航系统原理样机,并进行了跑车实验。跑车实验及事后数据处理分析结果表明:该系统具有较高的长时间导航精度以及良好的可靠性和鲁棒性。

基于椭球拟合的MIMU系统自标定方法

针对微惯性测量单元(MIMU)测量精度的提高,提出一种自适应的MIMU系统自标定方法。通过MIMU系统陀螺仪和加速度计误差模型分析,将陀螺仪和加速度计的误差模型转化为一个线性回归方程,使用椭球拟合的最小二乘方法对MIMU系统进行拟合,最后运用多次拟合模式进行总体标定。采用实验室三轴转台进行实验验证,得到标定的姿态测量系统的精度提高了3个数量级,证实了此标定方案的可行性。

基于MIMU/WI-FI的井下人员三维全局定位

为进一步提高煤矿井下人员定位系统的定位精度,克服目前只能区域定位,抗干扰能力差等缺点,提出一种新型的基于MIMU/WI-FI组合的煤矿井下人员三维全局定位方法。在对MIMU和WI-FI各自定位原理分析的基础上,给出基于MIMU/WI-FI组合定位的系统解算图。通过对MIMU和WI-FI各自的误差源分析,建立组合系统误差模型,进而采用间接法卡尔曼滤波并运用位置组合方式获得组合系统的定位信息。最后,对组合定位误差模型进行仿真。仿真结果表明,基于MIMU/WI-FI的组合定位方法具有定位精度高,实时性强,可靠性好,能够进行三维全局定位等优点,为提高煤矿安全生产管理水平提供了一种更好的方法,具有较高的工程应用价值。

基于MIMU的杆塔倾斜测量方法

为了准确测量杆塔倾斜姿态,提出了一种基于微惯性测量单元(MIMU)的杆塔倾斜测量方法。在杆塔不同位置安装MIMU测量节点,采集杆塔运动的三轴加速度和角速度信息;采用无迹Kalman滤波对采集的原始数据进行降噪处理;采用四元数姿态解算检测杆塔倾斜状态。实验结果表明:采用该方法在很大程度上降低了噪声干扰,且采用四元数姿态解算方法能够准确检测杆塔的倾斜程度。

大方位失准角MIMU空中对准建模及半物理仿真

由于快速性的要求,微小型无人机不经过地面精确初始对准就升空作业,因此MIMU(Micro Inertial Measurement Unit)空中对准在大失准角下进行.为了提高微小型无人机空中的反应速度和作业精度,把非线性误差部分作为状态变量,建立MIMU在大方位失准角下无需小角度近似的空中对准的线性模型,同时为解决噪声不确定导致滤波器发散的问题,提出将AKF(Adaptive Kalman Filter)应用在GPS(Global Positioning System)辅助MIMU的空中对准中,半物理仿真结果证实其取得了比基于非线性误差模型的EKF(Extended Kalman Filter)精度高且速度快的结果,不仅使MIMU的方位失准角由60°快速下降到2°左右,且所需时间仅为EKF的67%.

基于MIMU的行人室内导航技术的实现

采用微机械惯性测量单元(MIMU),设计一套固定在行人腰部的可穿戴式室内定位导航设备.采用行人航位推算原理(PDR),计算行人行走的步数、步长及方位,实现行人室内定位,解决了GPS导航技术在室内无法使用的缺陷.测试结果表明:系统的平均定位误差低于行进距离的0.74%,满足行人室内定位要求.验证了系统的有效性和可靠性.

基于MIMU测量系统的两步校准法

三轴加速度计是微惯性测试单元(MIMU)测量组合的重要组成器件,其测量准确度直接影响系统姿态解算的准确度。因此需要对三轴加速度计的零偏误差、标度因素误差、各轴之间的不正交误差以及传感器与测试单元的安装误差进行分析和补偿。提出了一种两步校准法,即首先利用椭球假设的MIMU现场快速标定方法分析微惯性测量组合的误差模型,得到加速度计的零偏、标度因素和不正交角;之后利用四位置法校准出加速度计的安装误差。该方法实际操作简单,不需要高精度辅助设备。测试平台实验表明:该方法能够有效提高三分量测量数据的准确性,可应用于MIMU姿态测量系统中加速度计的校准。

基于LABVIEW的MIMU 24项误差参数的快速标定方法

针对传统微惯性测量单元(MIMU)标定方法过程繁琐、标定周期长且标定设备复杂等问题,该文设计了一种通过LABVIEW上位机控制小型三轴转台对MIMU进行快速标定的一种方法。首先建立MIMU标定模型,再通过分别构建陀螺仪和加速度计的卡尔曼滤波器来减小运算量和标定时间。以小型三轴转台的姿态与速度为基准求得速度误差与姿态误差作为观测量,通过LABVIEW上位机控制三轴转台按照所设计好的标定路径转动,采集MIMU输出并使用卡尔曼滤波器LABVIEW的子函数(VI)进行MIMU的24项误差参数估计。实验结果表明,该方法能实现对MIMU中的陀螺仪和加速度计的快速标定,与传统分立式标定法相比,其安装误差与常值漂移的精度基本一致,标定因数相对误差小于0.006,标定时间由3 h减少至30 min。

MIMU中加速度计组离心机标定补偿技术研究

微惯性测量单元(MIMU)使用离心机标定时,内部加速度计组集成安装误差和MIMU安装误差,导致加速度计实际受到的离心加速度激励与设置不一致,引入输入误差,影响标定精度。基于减小输入误差定标的影响,提出一种消除加速度输入误差的标定分析方法。基于离心机标定时MIMU中加速度计正反向输入状态下安装误差对称的关系,在误差模型方程中引入安装误差项,通过对两种状态下输入取代数平均,消除安装误差项。利用最小二乘法解得加速度计组误差模型系数,对加速度计组进行补偿。经试验验证:本文方法极大地提高了加速度计的精度,标度因数精度提高3.62%,交叉耦合从1.4%降低至0.16%,零偏从4.9 mgn降低至0.9 mgn。

基于UKF的MIMU/GPS/DVS组合导航方法研究

提出一种基于UKF的MIMU/GPS/DVS组合导航方法,将其用于无人机等飞行器导航定位;以MIMU和DVS的误差作为组合导航系统状态,根据系统误差模型建立状态方程;利用MIMU与GPS的位置输出、MIMU与DVS的速度输出分别构造量测,建立对应的量测方程;针对状态方程和量测方程的非线性问题,采用UKF设计MIMU/GPS/DVS组合导航的滤波算法;仿真结果表明,MIMU/GPS/DVS组合导航的位置精度达到6.3m,速度精度达0.1m/s,水平姿态精度达到7.2′,航向精度达到18.5′,而且当GPS失效时仍然保持较高的导航精度。

基于级联卡尔曼滤波的动基座MIMU初始对准方法

为了实现低成本微惯性测量单元(MIMU)的自对准功能、提高自对准精度,提出了一种基于级联卡尔曼滤波(KCF)的动基座GPS单天线辅助MIMU自对准方法。首先,对GPS单天线测得的速度矢量随机误差进行了总平均经验模态分解(MEEMD),信号重构后使用卡尔曼滤波对其降噪解算得到航向角测量;其次,以基座姿态角和陀螺常值漂移为状态量建立了系统的状态方程,并融合加速度计和GPS单天线测量信息,建立了系统的观测方程;然后,使用自适应无迹卡尔曼滤波进行信息融合,实现了基座姿态角的最优估计。经仿真验证对比,所提算法有效提高了自对准精度。仿真结果验证了所提算法在GPS单天线辅助MIMU自对准中的优越性。

一种微惯性测量单元标定补偿方法

在介绍微惯性测量单元组成与结构的基础上,根据MEMS惯性器件的输出特性,建立了微惯性测量单元中加速度计和陀螺仪的数学标定模型,提出并推导了一种适用于微惯性测量单元的标定方法,该方法可以得到微惯性测量单元中惯性传感器的零位、标度因数、安装误差系数及g值敏感项等33个参数;然后,具体介绍了通过加速度计重力场静态翻滚试验和陀螺仪恒角速率试验对MIMU中参数标定的方法和步骤,并对实验室自研的MIMU进行了标定;最后利用得到的标定参数对测试结果进行了误差分析与补偿;实验结果表明,该方法使MIMU的测量精度提高了1～2个数量级,能够满足姿态解算及导航计算的精度要求。

微惯性测量单元的误差整机标定和补偿

提出了微惯性测量单元(MIMU)在高动态、高过载复杂应用条件下的误差整机标定和补偿方法。首先,建立了高动态,高过载复杂应用条件下MIMU的误差模型,该模型包括了结构误差,传感器安装误差和MEMS惯性传感器在复杂条件对精度影响较大的误差项,指零位温度漂移、互耦误差、刻度因子非线性和微陀螺加速度效应误差;根据模型提出了整机标定补偿方法,该方法可以标定MIMU的63个误差系数,并且不需要对单个传感器进行标定。然后,介绍了利用最小二乘法对模型进行误差系数标定的方法和步骤,并对自研的MIMU进行了标定。最后,通过飞行实验对MIMU进行了验证。结果表明,使用该方法使定位精度提高了一个数量级,基本满足MIMU在高动态、高过载条件下的精度要求。

微惯性测量单元的标定技术研究

精确的误差标定技术是提高惯导系统精度的重要基础,故在使用前要对惯性测量单元进行标定。根据误差来源建立了陀螺和加速度计的误差模型,提出并推导了一种采用多位置和速率相结合的标定方法。利用多位置试验标定出加速度计的零偏、标度系数、安装误差,陀螺的零偏以及与加速度有关的误差系数,利用正负对称的速率试验法标定出陀螺的标度因数和安装误差。将算法进行仿真验证,能有效减少误差,具有一定的工程应用价值。

基于MEMS传感器的车载微惯性测量单元设计

为了感知汽车姿态,利用MEMS传感器自主设计了一种车载微惯性测量单元(MIMU),详细介绍了三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺和正六面体的设计。该单元具有成本低、精度高、体积小,且便于标定等优点,可以方便地运用到汽车姿态实时监测系统中。给出了单元的标定方法,分析了其误差来源,建立误差模型以及自主设计了标定系统。实验结果表明:该单元能有效地消除信号干扰,具有满意的精度要求,可对运用该单元进行汽车姿态监测等提供理论研究与工程应用参考。

一种基于MEMS的微惯性测量单元标定补偿方法

根据微机电系统MEMS（Micro Electronic Mechanical System）惯性器件的特点，在建立微惯性测量单元MIMU（Micro Inertial Measurement Unit）角速度及加速度误差数学模型的基础上，提出一种适用于MIMU的、仅采用单轴速率转台（无指北装置）的“动态翻转6位置”快速标定补偿方法．与传统标定方法相比，标定补偿方法简单便捷，可以一次确定出MIMU的45个误差系数，辨识误差系数精度高，尤其适用于低精度捷联惯性测量单元．通过理论分析、推导以及大量的实验验证，标定补偿方法可以将MIMU的精度提高2～3个数量级．

微机械陀螺仪的微结构分析与设计

针对基于微米技术的微机械陀螺检测功能微弱的现象 ,本文建立了振动轮式微机械陀螺仪的机电系统动力学模型。经对某微陀螺结构的仿真计算发现 ,哥氏阻尼力随激励哥氏力增大而增大 ,造成电容检测信号极为微弱 ,无论激励的幅度和频率如何。为此 ,本文给出了一种新型振动轮式微陀螺结构 ,可减小哥氏阻尼力 ,相对增大了激励哥氏力。这种新型结构显著增强了电容检测信号 ,而且具有双轴微陀螺功能、对耦合线加速度不敏感等特点。

MEMS微型惯性测量组合的标定

由于MEMS器件的特殊性,在使用前必须进行标定。在MEMS器件误差数学模型的基础上,根据MEMS微惯性组合的十二位置标定方法,标定MIMU加速度计和陀螺仪的零偏稳定性和安装误差角,并将该方法应用于某MIMU的实验室标定中,验证了该标定方法的可行性。根据实验结果,对加速度计和陀螺仪的输出进行快速补偿,能进一步提高MIMU的姿态解算和导航精度。

基于激光测距仪与微惯性测量单元的室内个人导航方法

现有室内定位导航技术大多需要提前部署传感器网络,不适用于应急救援场景。为此,基于激光测距仪与微惯性测量单元提出一种新型的室内个人导航方法,在室内个人导航中引入同时定位与地图创建技术,无须提前部署传感器网络,实时生成室内二维平面图,并通过扫描匹配算法进行导航定位。实验结果表明,与惯性导航定位相比,该方法可以在不同的轨迹与环境下获得更精确的定位结果。

基于MEMS和GPS的驾驶行为和车辆状态监测系统设计

为了适应智能车辆辅助驾驶系统对驾驶和车辆状态监测的要求,利用MEMS惯性传感器自主设计了微惯性测量单元,并结合GPS设计了一种驾驶行为和车辆状态监测系统,实现对驾驶员操纵动作的感知、汽车6自由度运动状态参数和汽车运行车速的实时监测。介绍了MEMS传感器的选型,设计,安装和布置。实车道路实验结果表明:系统对驾驶员踩踏刹车踏板、离合器踏板和变换档位的操纵动作的感知效果较好,侧向加速度和方向盘转角的理论识别曲线与实车实验曲线在趋势上比较吻合。该系统为开发驾驶人员操纵动作自动识别系统提供理论基础和技术支持,也可为提高汽车行驶性和安全性提供重要的理论依据和工程应用指导。