基于卡爾曼濾波的慣性傳感器信號(hào)處理論文

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1、基于卡爾曼濾波的慣性傳感器信號(hào)處理畢業(yè)論文目錄畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)I摘要IIAbstractIII第一章緒論11.1慣性傳感器信號(hào)處理研究目的及意義11.2國(guó)內(nèi)外MEMS慣性傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)21.3慣性傳感器信號(hào)處理研究概況71.4本文主要研究?jī)?nèi)容91.5本章小結(jié)10第二章MTi慣性傳感器組成及卡爾曼濾波原理112.1MTi組件的工作原理及性能指標(biāo)112.1.1微機(jī)械陀螺儀122.1.2微機(jī)械加速度計(jì)132.1.3MTi微慣性傳感器的輸出數(shù)據(jù)格式152.1.4姿態(tài)角的定義162.2MTi慣性傳感器姿態(tài)確定方法162.2.1現(xiàn)在比較常用的定姿方法162.2.2加速度

2、計(jì)定姿方法162.3卡爾曼濾波原理172.3.1卡爾曼濾波的產(chǎn)生背景172.3.2卡爾曼濾波算法182.3.3卡爾曼濾波器192.4本章小結(jié)20第三章卡爾曼濾波的慣性傳感器信號(hào)處理213.1陀螺儀、加速度計(jì)的誤差分析及測(cè)量方程建立213.1.1MEMS陀螺信號(hào)的特點(diǎn)及影響精度的主要因素21II3.1.2陀螺儀模型223.1.3加速度計(jì)誤差來(lái)源223.1.4加速度計(jì)的測(cè)量模型223.2慣性傳感器的狀態(tài)方程的建立233.3卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)243.4基于matlab下的卡爾曼濾波方程的程序開(kāi)發(fā)263.4.1Matlab在數(shù)據(jù)處理及圖像繪制方面的特點(diǎn)263.4.2在MATLAB下

3、卡爾曼濾波的程序設(shè)計(jì)273.5本章小結(jié)29第四章實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析304.1慣性傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集304.1.1慣性傳感器靜態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集304.1.2慣性傳感器動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集304.2仿真結(jié)果分析304.2.1慣性傳感器靜止?fàn)顟B(tài)下的仿真實(shí)驗(yàn)314.2.2慣性傳感器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的仿真實(shí)驗(yàn)344.3本章小結(jié)39第五章結(jié)束語(yǔ)40參考文獻(xiàn)42致謝45第一章II第一章緒論1.1慣性傳感器信號(hào)處理研究目的及意義慣性傳感器是導(dǎo)航定位、測(cè)姿、定向和運(yùn)動(dòng)載體控制的重要部件，從航天、航空、航海到機(jī)器人、汽車(chē)等軍事、商業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，對(duì)慣性傳感器技術(shù)的研究一直是各國(guó)研究的熱點(diǎn)

4、，也是慣性技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。隨著慣性傳感器技術(shù)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）所具有的自主、不易受干擾、實(shí)時(shí)輸出等優(yōu)良特性使得其在軍事、商業(yè)相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。INS的精度主要取決于慣性傳感器的陀螺儀和加速度計(jì)的精度。[1]而一般的慣性傳感器所測(cè)量的數(shù)據(jù)存在大量的隨機(jī)噪聲，通過(guò)陀螺儀來(lái)測(cè)量載體的姿態(tài)角，其具有穩(wěn)定和短期精度高的優(yōu)點(diǎn)，適于測(cè)量快速變化的信息，但陀螺所測(cè)量的載體姿態(tài)角誤差會(huì)隨時(shí)間快速累積（漂移），當(dāng)其長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)漂移會(huì)無(wú)限增大，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。加速度計(jì)與磁強(qiáng)計(jì)也可以用來(lái)測(cè)量載體的姿態(tài)，且其測(cè)量誤差不隨時(shí)間累積，它靜態(tài)性能好，適用于測(cè)量緩慢變化的信息，但當(dāng)

5、載體加速度較大時(shí)這種方法則無(wú)法使用。[2]隨著計(jì)算機(jī)、人工智能等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，微型機(jī)器人、微型直升飛機(jī)等微小型自主式載體將廣泛運(yùn)用到未來(lái)的生產(chǎn)以及人類(lèi)生活中，而微小型、低成本的導(dǎo)航系統(tǒng)是其關(guān)鍵技術(shù)之一，這對(duì)慣性傳感器提出了新的要求。MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)慣性傳感器采用微電子加工技術(shù)制造的芯片級(jí)慣性傳感器，是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可

6、靠性水平。MEMS器件具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、抗沖擊、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、電子、家電、機(jī)電等行業(yè)以及軍事領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。[3]雖然目前MEMS器件的精度還未達(dá)到極限，通過(guò)改進(jìn)硬件設(shè)計(jì)和制造方法可提高其精度，但是通過(guò)硬件制造高精度陀螺儀不近技術(shù)難，而且其成本也高。尋求通過(guò)對(duì)慣性傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集和處理的方法來(lái)提高陀螺儀的輸出信號(hào)精度，就能降低對(duì)慣性傳感器硬件的精度要求，進(jìn)而達(dá)到降低成本的目的，這是慣性界一直以來(lái)的一個(gè)重要的研究方向。針對(duì)這兩種傳感器的特點(diǎn)需要對(duì)其測(cè)量采集的信息進(jìn)行融合，提高慣性傳感器的測(cè)量信號(hào)精度，得到更為可靠的姿態(tài)信息?？柭鼮V波具有

7、較強(qiáng)的抑制干擾的能力，并能使控制方式具有良好的動(dòng)態(tài)性能,在非線性最優(yōu)估計(jì)領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。－45－1.1國(guó)內(nèi)外MEMS慣性傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)MEMS技術(shù)最早由RichardPfeynman(1965年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng))在1959年提出設(shè)想。1962年硅微型壓力傳感器問(wèn)世。1979年Roylance和Angell開(kāi)始?jí)鹤枋轿⒓铀儆?jì)的研制。1991年Cole開(kāi)始電容式微加速度計(jì)的研制。????慣性傳感器包括加速度計(jì)(或加速度傳感計(jì))和角速度傳感器(陀螺儀)以及它們的單、雙、三軸組合IMU(慣性測(cè)量單元),AHRS(包括磁傳