基于卡尔曼滤波的惯性传感器信号处理 毕业论文Word格式.docx

基于卡尔曼滤波的惯性传感器信号处理 毕业论文Word格式.docx

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设计（论文）的基本内容：

（1）对本课题背景知识和所涉及的研究内容进行调研，对研究现状和发展趋势进行概括。

（2）研究系统的工作原理，建立系统的描述方程。

通过实验获取惯性传感器在静态和动态时的信号数据。

（3）编写卡尔曼滤波的MATLAB程序，实现对加速度计和陀螺仪信号的信息融合

实现对陀螺仪的零偏进行实时估计和补偿。

毕业设计（论文）专题部分：

题目：

设计或论文专题的基本内容：

学生接受毕业设计（论文）题目日期

第 周

指导教师签字：

年 月 日

，

－I－

要

摘要

惯性传感器是导航定位、测姿、定向和运动载体控制的重要部件，特别是近年来从军事、工业领域扩展到民用领域的各种电子消费产品，具有广阔的运用前景。

本文研究的惯性传感器两轴的惯性测量单元组成，利用该传感器的输出信号可以求出载体的俯仰角和横滚角，但获得的姿态角度存在随机漂移误差，针对这个问题本文提出了卡尔曼滤波实现对加速度计与陀螺仪的信息融合，设计了简单而实用的滤波算法，对惯性传感器的误差进行补偿后得到载体姿态角的最优估计，从而获得比较精确的姿态角信息。

本文的主要研究工作内容：

1.学习理解陀螺仪和加速度计的工作原理，分析了陀螺仪和加速度的误差来源，建立了适合于本文研究的误差方程。

2.通过实验将惯性传感器置于水平面获得静态时的信号输出和绑在人体小腿上随着人体运动获得动态的信号输出。

3.编写MATLAB程序实现卡尔曼滤波算法，并将实验获得的信号数据通过卡尔曼滤波程序进行信息融合得到相应的仿真结果。

通过仿真实验结果表明，采用卡尔曼滤波信息融合的方法，实现了陀螺仪的零偏进行了实时估计和补偿，提高了对姿态测量的精度。

关键词：

卡尔曼滤波，惯性传感器，信息融合，误差补偿，陀螺漂移

－II－

Title

Abstract

Keywords：

－V－

目录

毕业设计（论文）任务书 I

摘要 II

Abstract III

第一章绪论 1

1.1惯性传感器信号处理研究目的及意义 1

1.2国内外MEMS惯性传感器的现状及发展趋势 2

1.3惯性传感器信号处理研究概况 7

1.4本文主要研究内容 9

1.5本章小结 10

第二章MTi惯性传感器组成及卡尔曼滤波原理 11

2.1MTi组件的工作原理及性能指标 11

2.1.1微机械陀螺仪 12

2.1.2微机械加速度计 13

2.1.3MTi微惯性传感器的输出数据格式 15

2.1.4姿态角的定义 16

2.2MTi惯性传感器姿态确定方法 16

2.2.1现在比较常用的定姿方法 16

2.2.2加速度计定姿方法 16

2.3卡尔曼滤波原理 17

2.3.1卡尔曼滤波的产生背景 17

2.3.2卡尔曼滤波算法 18

2.3.3卡尔曼滤波器 19

2.4本章小结 20

第三章卡尔曼滤波的惯性传感器信号处理 21

3.1陀螺仪、加速度计的误差分析及测量方程建立 21

3.1.1MEMS陀螺信号的特点及影响精度的主要因素 21

3.1.2陀螺仪模型 22

3.1.3加速度计误差来源 22

3.1.4加速度计的测量模型 22

3.2惯性传感器的状态方程的建立 23

3.3卡尔曼滤波器设计 24

3.4基于matlab下的卡尔曼滤波方程的程序开发 26

3.4.1Matlab在数据处理及图像绘制方面的特点 26

3.4.2在MATLAB下卡尔曼滤波的程序设计 27

3.5本章小结 29

第四章实验仿真与结果分析 30

4.1惯性传感器实验数据采集 30

4.1.1惯性传感器静态实验数据采集 30

4.1.2惯性传感器动态实验数据采集 30

4.2仿真结果分析 30

4.2.1惯性传感器静止状态下的仿真实验 31

4.2.2惯性传感器运动状态下的仿真实验 34

4.3本章小结 39

第五章结束语 40

参考文献 42

致谢 45

第一章 绪论

1.1惯性传感器信号处理研究目的及意义

惯性传感器是导航定位、测姿、定向和运动载体控制的重要部件，从航天、航空、航海到机器人、汽车等军事、商业领域有着广阔的应用前景。

因此，对惯性传感器技术的研究一直是各国研究的热点，也是惯性技术发展的重点。

随着惯性传感器技术的发展，惯性导航系统（INS）所具有的自主、不易受干扰、实时输出等优良特性使得其在军事、商业相关领域得到了广泛应用。

INS的精度主要取决于惯性传感器的陀螺仪和加速度计的精度。

[1]而一般的惯性传感器所测量的数据存在大量的随机噪声，通过陀螺仪来测量载体的姿态角，其具有稳定和短期精度高的优点，适于测量快速变化的信息，但陀螺所测量的载体姿态角误差会随时间快速累积（漂移），当其长时间工作时漂移会无限增大，导致系统无法正常工作。

加速度计与磁强计也可以用来测量载体的姿态，且其测量误差不随时间累积，它静态性能好，适用于测量缓慢变化的信息，但当载体加速度较大时这种方法则无法使用。

[2]

随着计算机、人工智能等相关技术领域的发展，微型机器人、微型直升飞机等微小型自主式载体将广泛运用到未来的生产以及人类生活中，而微小型、低成本的导航系统是其关键技术之一，这对惯性传感器提出了新的要求。

MEMS （Micro ElectroMechanical System）惯性传感器采用微电子加工技术制造的芯片级惯性传感器，是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。

其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。

MEMS器件具有体积小、质量轻、成本低、抗冲击、可靠性高等优点，在汽车、电子、家电、机电等行业以及军事领域有着极为广阔的应用前景。

[3]虽然目前MEMS器件的精度还未达到极限，通过改进硬件设计和制造方法可提高其精度，但是通过硬件制造高精度陀螺仪不近技术难，而且其成本也高。

寻求通过对惯性传感器的信号进行采集和处理的方法来提高陀螺仪的输出信号精度，就能降低对惯性传感器硬件的精度要求，进而达到降低成本的目的，这是惯性界一直以来的一个重要的研究方向。

针对这两种传感器的特点需要对其测量采集的信息进行融合，提高惯性传感器的测量信号精度，得到更为可靠的姿态信息。

卡尔曼滤波具有较强的抑制干扰的能力，并能使控制方式具有良好的动态性能,在非线性最优估计领域得到了很好的应用。

－28－

1.2国内外MEMS惯性传感器的现状及发展趋势

MEMS技术最早由RichardPfeynman（1965年获得诺贝尔物理奖）在1959年提出设想。

1962年硅微型压力传感器问世。

1979年Roylance和Angell开始压阻式微加速计的研制。

1991年Cole开始电容式微加速度计的研制。

惯性传感器包括加速度计（或加速度传感计）和角速度传感器（陀螺仪）以及它们的单、双、三轴组合IMU（惯性测量单元）,AHRS（包括磁传感器的姿态参考系统）。

MEMS加速度计是利用传感质量的惯性力测量的传感器,一般由标准质量块（传感元件）和检测电路组成。

根据传感原理不同,主要有压阻式、电容式、压电式、隧道电流式、谐振式、热电耦合式和电磁式等。

1998年,美国CSDL设计研制了最早的MEMS陀螺。

同年，Drapor实验室研制了另一种形式的MEMS陀螺。

MEMS陀螺是利用震动质量块被基座（壳体）带动旋转时的哥氏效应来传感角速度的原理制成。

主要形式有框架驱动式（内、外框架两种）梳状驱动式、电磁驱动式等。

IMU由于是MEMS技术组合的微型惯性测量单元，所以很多地方称为MIMU。

主要由三个MEMS加速度传感器及三个陀螺及解算电路组成。

AHRS则为包括三个磁传感器的IMU，并且依据四元素法进行了解算，直接可输出一个运动体的俯仰角、横滚角和航向角。

低精度MEMS惯性传感器作为消费电子类产品主要用在手机、游戏机、音乐播放器、无线鼠标、数码相机、PD、硬盘保护器、智能玩具、计步器、防盗系统、 GPS导航等便携式。

由于具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能，有待挖掘的消费电子应用会不断出现。

中级MEMS惯性传感器作为工业级及汽车级产品,则主要用于汽车电子稳定系统

（ESP或ESC）GPS辅助导航系统,汽车安全气囊、车辆姿态测量、精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等。

高精度的MEMS惯性传感器作为军用级和宇航级产品，主要要求高精度、全温区、抗冲击等指数。

主要用于通讯卫星无线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用；

飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用、远程飞行器船舶仪器、战场机器人等。

用作消费电子类的MEMS惯性传感器，主要要求是单价低、尺寸小、温度范围窄、因而精度要求低，甚至是功能性产品。

加速度传感器重量轻、功耗小、一般测量范围

1～10g～50g，分辨率2mg～10mg，陀螺一般量程在±

300°

/s，零偏在500°

/h～1000°

/h,因此有些公司的产品不给出零偏指标或给出0.1°

/s～0.5°

/s。

目前可以生产MEMS加速度传感器的公司比较多,大多数为半导体，如美国的

ADI、Invensense、ST、Freescale、SensorDynamics、MSI（ICSensor）、MEMSIC（生产地在中国无锡，图1.1），欧洲的VTI（图1.2）、Infine；

生产MEMS陀螺的公司如美国的

ADI、Knoix、ST（图1.3），欧洲的Infine、Methes，日本的Murata、National、冲电气、富士通。

12月3日，中国上海深迪半导体有限公司发布了消费类的MEMS陀螺，无锡一家公司也在研发中。

图1.1MEMSIC公司的MEMS加速度传感器产品

图1.2VTI公司的MEMS加速度传感器产品

图1.3意法半导体ST公司的MEMS陀螺产品

工业级的惯性传感器大多以模块形式出现，对于应用于