基于卡尔曼滤波的惯性传感器信号处理毕业论文

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1、基于卡尔曼滤波的惯性传感器信号处理毕业论文目录毕业设计（论文）任务书I摘要IIAbstractIII第一章绪论11.1惯性传感器信号处理研究目的及意义11.2国内外MEMS惯性传感器的现状及发展趋势21.3惯性传感器信号处理研究概况71.4本文主要研究内容91.5本章小结10第二章MTi惯性传感器组成及卡尔曼滤波原理112.1MTi组件的工作原理及性能指标112.1.1微机械陀螺仪122.1.2微机械加速度计132.1.3MTi微惯性传感器的输出数据格式152.1.4姿态角的定义162.2MTi惯性传感器姿态确定方法162.2.1现在比较常用的定姿方法162

2、.2.2加速度计定姿方法162.3卡尔曼滤波原理172.3.1卡尔曼滤波的产生背景172.3.2卡尔曼滤波算法182.3.3卡尔曼滤波器192.4本章小结20第三章卡尔曼滤波的惯性传感器信号处理213.1陀螺仪、加速度计的误差分析及测量方程建立213.1.1MEMS陀螺信号的特点及影响精度的主要因素21II3.1.2陀螺仪模型223.1.3加速度计误差来源223.1.4加速度计的测量模型223.2惯性传感器的状态方程的建立233.3卡尔曼滤波器设计243.4基于matlab下的卡尔曼滤波方程的程序开发263.4.1Matlab在数据处理及图像绘制方面的特点2

3、63.4.2在MATLAB下卡尔曼滤波的程序设计273.5本章小结29第四章实验仿真与结果分析304.1惯性传感器实验数据采集304.1.1惯性传感器静态实验数据采集304.1.2惯性传感器动态实验数据采集304.2仿真结果分析304.2.1惯性传感器静止状态下的仿真实验314.2.2惯性传感器运动状态下的仿真实验344.3本章小结39第五章结束语40参考文献42致谢45第一章II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，

4、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

5、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(MicroElectroMechanicalSystem)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

6、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

7、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。－45－1.1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

8、、三轴组合IMU(惯性测量单元),AHRS(包括磁传