微机电系统陀螺仪随机漂移误差建模与滤波研究

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1、2012年第4期导弹与航天运载技术NO．42012总第320期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNo．320文章编号：1004-7182(2012)04—0035．04微机电系统陀螺仪随机漂移误差建模与滤波研究宋吉磊，昊训忠，郭铃(空军工程大学工程学院，西安，710038)摘要：随机漂移是微机电系统(MEMS)陀螺的主要误差，建立其数学模型并在输出中加以补偿是抑制该项误差、提高MEMS陀螺精度的有效方法。采用Allan方差对MEMS陀螺实测数据进行了分析，并采用时间序列分析法建立了随机漂移模型。根据建立的漂移模型，就如何利用Kalman滤波抑制随机漂移误差

2、进行了分析和研究。关键词：微机电系统陀螺；随机漂移；Allan方差；时间序歹lJ分析；Kalman滤波中图分类号：V241文献标识码：AResearchonModelingandFilterofMicroElectroMechanicalSystemGyroscopeRandomDriftSongJilei，WuXunzhong，GuoLing(EngineeringCollege，AirForceEngineeringUniversity，Xi’an，710038)Abstract：RandomdriftisthemainelTorofMicroElectroMechani

3、calSystem(MEMS)gyroscope．It’sanefficientmethodtoreducetherandomdriftandimprovetheaccuracybymodelingandcompensatingintheoutputofMEMSgyroscope．AllanvarianceisusedforanalyzingthemeasureddataofMEMSgyroscope，anditsrandomdriftismodeledbyanalyticalmethodoftimeseries．Basedontheestablishedmodel，it’S

4、analyzedandresearchedhowtoreducetherandomdriftbyKalmanfilter．KeyWords：MicroElectroMechanicalSystemgyroscope；Randomdrift；Allanvariance；Timeseriesanalysis；KalmanfiIterO引言微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)Ill,是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的学科领域。MEMS技术具有体积小、重量轻、功耗低等优点。基于此技术发展起来的微惯性器件就是一类典型的ME

5、MS传感器，它的出现极大地扩展了惯性技术的应用范围，使得基于微惯性器件构建低成本、高性能的微惯性导航系统迅速成为当前惯性技术领域的一个研究热点。目前，MEMS陀螺仪的性能，尤其是精度指标，与传统的陀螺还有较大差距，只能应用于低精度要求的场合。影响MEMS陀螺仪精度的主要原因是输出信号中的随机漂移误差较大，因此，建立随机漂移误差的数学模型并在输出中加以补偿是抑制该项误差、提高MEMS陀螺仪精度的有效方法。Allan方差法是对陀螺仪噪声进行分析的一种标准方法，它能非常容易地将各种误差源及其对整个噪声统计特性的贡献进行细致的表征和辨识；时间序列分析法在陀螺漂移建模领域得到了广泛的应

6、用：基于建立的时序模型，采用多次Kalman滤波可以对漂移信号进行处理。1Allan方差分析Allan方差法【2】是20世纪60年代由美国国家标准局的DavidAllan提出的，是一种基于时域的分析方法，具有便于计算、易于分离等优点。1．1Allan方差的定义与计算设以采样时间f0对陀螺仪输出角速率进行采样，共采样了N个点，得到序列(m)。把所获得的N个数据分成K组，K=N／M，每组包含M(M耋(Ⅳ一1)／2)个采样点，每一组的持续时间f=Mro称为相关时间，每一组的平均值为五(M产古∑％_n吖+；(七=l，2，⋯，K)(1)收稿日期：2011．12．10；修回日期：2012

7、-01．19作者简介：宋吉磊(1987．)，男，硕士研究生。主要研究方向为惯性导航与组合导航36导弹与航天运载技术2012年Allan方差定义为一(力皇丢((赢“M)一赢(M))2)=赤蓦面(玲磊(㈣21．3实测数据分析实验采用的MEMS陀螺仪是由ADI公司设计生产(2)的ADISl6355iSensor，以50Hz的速率采集基座静止时MEMS陀螺仪的输出，得到随机漂移数据样本如图1所示。．式中<>为求总体平均。对于不同的相关时间f，可求得相应的Allan方差。Allan方差的平方根aA(r)通常被称为