mems陀螺仪组合系统及滤波算法设计

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1、硕士学位论文MEMS陀螺仪组合系统及滤波算法设计COMBINATIONSYSTERMANDFILTERALGORITHMDESIGNFORMEMSGYROSCOPES杜少鹤哈尔滨工业大学2015年06月国内图书分类号：TP21学校代码：10213国际图书分类号：004.35密级：公开工学硕士学位论文MEMS陀螺仪组合系统及滤波算法设计硕士研究生：杜少鹤导师：马广富教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：控制科学与工程系答辩日期：2015年06月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP21U.D.C:

2、004.35DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringCOMBINATIONSYSTERMANDFILTERALGORITHMDESIGNFORMEMSGYROSCOPESCandidate：DuShaoheSupervisor：Prof.MaGuangfuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：Dept.ofControlSciencea

3、ndEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要微小卫星凭借其发射灵活、成本低、功能密度高、研制周期短等一系列优势，成为当前国际空间技术研究的热点。MEMS陀螺仪具有体积小、耗能低、重量轻、惯性小、带宽大、易于集成且成本低等一系列优点，因此有望广泛地应用在微小卫星姿轨控制系统中。本课题来源于某研究院的横向课题，主要为了实现MEMS陀螺仪在微小卫星姿轨控制系统中的应用

4、。为实现对MEMS陀螺仪数据的采集、分析、滤波与储存，构建了一套MEMS陀螺仪组合系统，主要包括下位机数据采集系统与上位机数据接收系统。前者主要通过采用高度集成的片上SoCSmartFusion2系列处理器实现对高精度MEMS陀螺仪CRG20数据的采集与滤波功能，后者主要实现数据接收、解算、显示及储存功能。为了便于调试、移植、应用并减小系统电路板的面积，下位机系统采用模块化设计思想，通过底板提供控制电源及RS-422、CAN、SPI等通信接口，其它各功能模块，包括核心板模块、微陀螺模块、ADC模块、无线模块等均能插于底板上。最终实现了

5、CRG20信号的采集、滤波、实时显示与存储。针对MEMS陀螺精度低、随机噪声大等应用瓶颈问题，设计了一种基于自回归模型（Autoregressive，AR）的Kalman滤波算法。通过利用Allan方差对CRG20测量数据进行噪声分析，建立了CRG20随机漂移误差的AR数学模型；为利用误差模型输出陀螺仪角速度真值，在滤波器状态向量中加入真值状态，进而得到Kalman滤波器状态方程；CRG20的输出数据作为测量信号，建立Kalman滤波器测量方程。系统过程噪声项和测量噪声项的方差Q、R，分别选取陀螺仪速率随机游走噪声系数和角度随机游走系

6、数。然后对Kalman滤波器进行Matlab仿真，并分析AR模型参数和Q、R参数的取值对Kalman滤波器的滤波效果的影响。最后，将Kalman滤波汇编为c语言程序移植到下位机中，实现实时在线滤波。仿真结果表明，本文设计的Kalman滤波器参数选取得当，可以有效地滤除高频噪声，显著提高信号的输出精度和平滑性，能够跟踪上对快速性要求不高的卫星姿态变化信号。关键词：MEMS陀螺；Kalman滤波；AR模型；SmartFusion2；随机噪声I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractRecentlysmallsatelliteisbe

7、comingahotspotofthecurrentinternationalspacetechnologyresearch,becauseofitsseriesofadvantages,suchasflexibleapplications,lowcost,highdegreeintegratedfunctions,shortdevelopmentcycleetc.MEMSgyroscopehasaseriesofadvantages,suchassmallvolume,lowenergyconsumption,lightweight

8、,smallinertia,largebandwidthandeaseofintegration.Thereforeitisexpectedtobewidelyusedinorbitandattitudecontrols