【惯性系粗对准中的误差分析3600字】

目录 11.1MEMS捷联惯性导航系统组成 1 31.2.1MEMS-MIMU核心器件随机误差影响分析 31.2.2Allan方差分析法 51.3杆臂效应 心部分是MEMS惯性测量单元(MIMU),该测试单元主要包含三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计，由此作为导航数据源输出。此外系统还包含系统电源模块，通过220V电源给系统供电，导航计算机主要作为数据在内部采集被测MIMU的原始数据信息，进行导航解算之后在计算机上进行存储并进行后端处理。MEMS捷联惯性导航系统如下图3-1所示：本系统采用的MEMS陀螺仪是ADI公司生产的ADXRS620陀螺仪，MEMS陀螺仪测量范围相对较大，并且价格低廉，是一种微机电陀螺仪，根据振动来诱导和探测科里奥力原理而设计。因此MEMS择之一，其实物如图3-2所示。Fig.3-2PhysicalpictureofMEMSgyro陀螺仪是高精度速度测量的首要选Fig.3-3Physicalimage本系统中使用的MEMS加速度计是采用MEMS技术制造的ADXL203型号加速度计能耗低，也是惯性测量单元(MIMU)的重要组成部分，它与MEMS陀螺仪共同决定着惯性导航系统90%以上的精度，它的成本、尺寸、重量和功耗等特性对SINS的应用领域也有着有较大影响。其实物如图3-3所示。MEMS惯性测量单元(MIMU)由三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计组成。MIMU实物如下图3-4所示。核心处理器是STM32,图中有三个MEMS陀螺仪，安装方向各不相同，能分别提供三个轴的角速度数据。计MEMS-MIMU中的精度较低，但是初始对准的精度又是由MIMU输出值得到，所以MIMU的精度能够影响最终导航解算的姿态的精度。因此，能够识别MEMS惯性器件误差产生机理有很多，每一项误差源都会在一定的工作环境和工作时间内对系统性能产生极大干扰。如图3-5所示，MEMS惯性器件的噪温度敏感误差温度敏感误差轴失准角误差温度敏感误差标度因数误差非线性误差偏置不稳定性速率斜坡速率随机游走量化噪声不对称性误差预热零偏不稳定性析运行零偏不稳定性确定性误差随机误差由图3-5可知，MEMS惯性器件的确定性误差主要因为温度影响、芯片焊接(1)量化噪声(QuantizationNoise,QN)(2)角度随机游走(AngularRandomWalk,ARW)游走的陀螺仪输出误差系数，由角速率随机噪声引起。角度随机游走反映了MEMS惯性器件输出的角速度积分随时间积累的不确定性，是对宽带随机白噪(3)角速率随机游走(RateRandomWalk,RRW)(4)速率斜坡(RateRamp,RR)随机波动的影响所引起。零偏不稳定性BI具有低频特性，表现在在MEMS惯性为了保证MEMS-SINS的工作精度，学者们经常使用到Allan方差、功率谱解决了经典方差随测量时间的增长而发散的问题。但是，使用Allan方差分析法分析的MEMS惯性器件信号是静态误差，因此采集的数据时，必须是在系统静以时间间隔to对被观测MEMS惯性器件信号w进行采样，虽然样本序列个数有限但将采集的N个数据平均分成K组，每组数据包含M个数据，有K=N/M,其中M≤(N-1)/2。数据可按如图3-6所示进行分组：每组的相关时间表示为τ=Mt₀,根据图3-6可知第k个组通过对每个不同平均时间描述Allan方差为：在估计Allan方差时，MEMS惯性器件存在量化噪声Q、角度随机游走N、零偏不稳定性B、角速率随机游走K、角速率漂移斜坡R的五类常见噪声。各噪声源相互独立，则数据随机误差用Allan表示为上述各类误差的方差和，即σ²(z)=o2(T)+σ²(t)+o表3-1中示出了的5种典型随机误差项与Allan方差的对应关系。随机噪声项转换关系量化噪声(QN)角度随机游走(ARW)零偏不稳定性(BI)0角速率随机游走(RRW)速率斜坡(RR)1上述噪声系数Allan方差双对数曲线图如图3-7所示，再结合表3-1的斜率关系，噪声位置与斜率也如图所示。零偏不稳定定1.2.2.1基于Allan方差的MEMS陀螺仪误差分析对MEMS-SINS中的MEMS惯性器件进行Allan方差分析，将MIMU静置于隔振基座采集三轴陀螺仪的原始输出数据，绘制双对数曲线并如图3-8所示。采样时间log(t)将三轴陀螺的输出数据的双对数曲线绘制在同一个坐标系，严恭敏老师曾说，对于同一类型的陀螺，一起绘制在Allan方差曲线图中，左下角的曲线的陀螺仪性能稍好些。因此，从图3-8可以看出，x轴陀螺的性能比y轴和z轴略好一些，再根据上图中双对数曲线，依据表3-2中的转换关系计算三轴陀螺仪的随机误差。Tab.3-2Three-axisAllanvarianceanalysisofMEMSgyrZ轴根据表3-1中五种典型随机误差项与Allan方差的对应关系，求出表3-2所示的三轴MEMS陀螺仪的具体误差，可知x轴陀螺仪的整体性能较好。1.2.2.2基于Allan方差的MEMS加速度计误差分析同样将MIMU静置于隔振基座采集三轴加速度计的原始输出数据作为Allan方差输入的大样本来绘制出Allan方差的双对数曲线，如图3-9所示。采样时间log(t)Z轴由图3-9的曲线图并结合上图中双对数曲线及表3-1中的转换关系计算如表3-3的三轴加速度的随机误差中可知，x轴和y轴的量化噪声基本相同，z轴的量化噪声较高，x轴和y轴的加速度计性能较好。根据表3-1中Allan方差与五类噪声的转换关系，求出三个轴的加速度计的各种噪声大小，绘制成表3-3所示。从表3-3的具体噪声数值可以看出，y轴加速度计的整体性能要好。同样也说明左下角的曲线的加速度计性能要好一些。装有MIMU的运载体在行进间完成初始对准时，由于运载体的结构设计和如图3-10所示为杆臂效应原理图，图中涉及到惯性坐标系OXYZ和载体坐标系O₆X₆Y₆Zb,假设MIMU安装在b系的Q点处。载体坐标系b系相对于惯性为MIMU安装位置Q点到i系中的位置矢量，r为Q点到b系的位置矢量，其晃动角速度为@ib,可由陀螺仪测量值得到。式(3-4)两边对时间求微分，可知对式(3-5)继续求微分，有将式(3-7)和式(3-8)带入式(3