基于MEMS器件的徒步導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)研究

常磊 王洪源沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

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基于MEMS器件的徒步導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)研究

常磊 王洪源
沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

摘要：文章討論了基于MEMS慣性器件的誤差補(bǔ)償技術(shù)，使用ZUPT（零速校正）方案實(shí)現(xiàn)對測量誤差的補(bǔ)償。文中對方案的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行了討論，并設(shè)計(jì)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ZUPT算法對于徒步導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償有較好的效果。

關(guān)鍵詞：零速校正 MEMS器件 導(dǎo)航系統(tǒng)

1　引言

隨著微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)和相關(guān)加工工藝的發(fā)展，MEMS器件憑借其輕巧的體積、較低的功耗、較高的可靠性與靈敏度等優(yōu)勢，極大地促進(jìn)了傳感器的微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展uJ。^伍MS傳感器作為獲取信息的關(guān)鍵器件，已在衛(wèi)星、火箭、航空航天設(shè)備、車輛、醫(yī)學(xué)以及消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文中的徒步導(dǎo)航系統(tǒng)使用MPU．6050運(yùn)動處理模塊作為運(yùn)動數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理的測量單元，實(shí)時(shí)地將人體運(yùn)動的加速度、角速度信息通過標(biāo)準(zhǔn)USB接口發(fā)送到PC端的上位機(jī)軟件中，并使用Matlab對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，加入ZuPT檢測，對處理結(jié)果進(jìn)行分析。

2　慣性測量單元

M叭7-6050是世界上首例集成了六軸傳感器的運(yùn)動處理單元舊J。相比于多組件方案，免除了陀螺儀和加速度計(jì)組合時(shí)的軸間差的問題，同時(shí)也使得包裝空間大幅減。MPU一6050嵌入了三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計(jì)，由主12C將完整的九軸運(yùn)動融合演算結(jié)果以單一數(shù)據(jù)流的形式輸出到應(yīng)用端。該數(shù)據(jù)流中包含了加速度和疊加方位信息的旋轉(zhuǎn)量。MEMs加速度計(jì)用于測量載體的加速度，并提供相關(guān)的速度和位移信息。MEMS加速度計(jì)的主要性能指標(biāo)包括測量范圍∞J、分辨率MJ、標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性舊J、標(biāo)度因數(shù)非線性舊J、噪聲、零偏穩(wěn)定性和帶寬等。

將MPU．6050測量單元與地面成水平狀態(tài)安裝到鞋面上，其中導(dǎo)航系統(tǒng)中集成了一個(gè)額外的濾波器，這樣可以測量慣性測量單元安裝點(diǎn)的運(yùn)動屬性來提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確率。慣性導(dǎo)航的原理是這樣的，對位移求導(dǎo)可以得到速度，而速度的導(dǎo)數(shù)是加速度。因此，從靜止開始，對加速度的一次積分得到速度，二次積分得到位移。為了獲得在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的加速度，首先得把三軸加速度傳感器的測量向量轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系下，然后減去中立的加速度分量。三軸陀螺儀測量的系統(tǒng)角速度的積分提供了慣性測量單元的相對方位，這個(gè)相對方位就是用來進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這樣就給出了慣性測量單元的位置、速度以及方向。

如果正確地對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，那么它可以為將來所有的時(shí)間給出狀態(tài)估計(jì)。但是對于低成本的傳感器，估計(jì)的質(zhì)量隨著時(shí)間會迅速惡化。由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的集成，小的測量誤差也會不斷積累。對于通常應(yīng)用于慣性導(dǎo)航的MEMS傳感器，由于誤差的累積，使得在系統(tǒng)工作10s之后的位置估計(jì)變得沒有意義。然而將慣性傳感器中的慣性測量單元定期返回靜止就可以規(guī)避這個(gè)問題。

對比其他追蹤系統(tǒng)，基于MEMS傳感器的追蹤系統(tǒng)的誤差相對來說比較大。因此下一步的研究方向在于如何提高系統(tǒng)定位精度。本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就在于它打破了外界參考系對于系統(tǒng)測量的制約，將空間內(nèi)的自由測量變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

參考文獻(xiàn)

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