高精度mems陀螺仪的滤波算法研究

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1、电子科技电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERTHESIS（电子科技大学图标）论文题目高精度MEMS陀螺仪的滤波算法研究学科专业机械电子工程学号201121080217作者姓名段栋栋指导教师骆徳渊教授万方数据分类号密级注1UDC学位论文高精度MEMS陀螺仪的滤波算法研究（题名和副题名）段栋栋（作者姓名）指导教师骆徳渊教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业机械电子工程提交论文日期2014.10论文答辩日期2014.11学位授予单位

2、和日期电子科技大学2014.12答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。万方数据RESEARCHOFHIGH-PRECISIONFILTERINGALGORITHMFORMEMSGYROSCOPEAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:MechatronicsEngineeringAuthor:DongdongDuanAdvisor:DeyuanLuoSchool:SchoolofMechatronicsEngin

3、eering万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或

4、部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：年月日万方数据摘要摘要随着惯性导航技术的快速发展，MEMS陀螺仪的应用也日益广泛起来。如何提高MEMS陀螺仪输出数据的精度，已成为国内外专家学者研究的热点问题。针对这一问题，本文在基于信号采集系统的基础上，采集了陀螺仪输出的原始数据，并对其进行了误差分析，然后基于时间序列分析方法建立了陀螺仪随机漂移的数学模型。最后，应用不同的滤波技术对陀螺仪的零点漂移与动态误差进行了研究与仿真分析，从而确定了最终的信号处

5、理方法。首先，本文介绍了信号采集系统的基本原理，并进一步分析了其硬件结构与软件组成，然后设计了一种以STM32为核心控制器的信号采集系统。接着对MEMS陀螺仪的工作原理作了详细说明，同时分析了其零点调整机制。另外，确定了陀螺仪原始信号的采样频率，并采集了陀螺仪的原始输出数据，接着在MATLAB环境下采用Allan方差分析法对其误差项进行了辨识，并确定了其各误差项的系数。其次，本文在深入理解平稳随机过程统计特性的基础上，对陀螺仪的输出数据进行了必要的预处理，并确定用时间序列分析法建立陀螺仪随机漂移的误差模型，同时确定了模型定阶以及参数估计的方法。然后，本

6、文分析了传统卡尔曼滤波器与二阶低通滤波器的设计思想、工作原理以及数学模型，接着对陀螺仪输出数据的统计特性进行了检验，并经过实验确定了其误差模型的阶数与参数，最终以AR(1)模型作为其误差模型。最后分别使用卡尔曼滤波器与二阶低通滤波器在MATLAB环境下对陀螺仪的静态数据进行了仿真分析，通过分析比较滤波结果，确定用传统的卡尔曼滤波器稳定零点。最后，本文分析了带有确定性输入项的卡尔曼滤波器的工作原理与数学模型，接着用二阶低通滤波器处理陀螺仪的动态数据，分析实验结果发现，虽然可以在一定程度上减轻误差，但是存在着滤波滞后的问题，因此本文设计了一种新的算法，即扩

7、展的卡尔曼滤波器与二阶低通滤波器融合的算法，通过对二阶滤波的结果进行差分，然后把差分结果作为卡尔曼滤波器的确定性输入，实验结果表明：该算法可以很好的处理陀螺仪的动态误差。关键词：MEMS陀螺仪，信号处理，卡尔曼滤波，二阶低通滤波I万方数据ABSTRACTABSTRACTWiththefastdevelopmentofinertialnavigationtechnology,MEMSgyroscopeapplicationsareincreasinglywidespread.TheissueofhowtoimprovetheprecisionofMEMS

8、gyrohasbecomeahotresearchscholarsathomeandabroa