一種提高MEMS微慣性航姿系統精度的方法設計與實現

魏愛娟

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所宜昌443003）

一種提高MEMS微慣性航姿系統精度的方法設計與實現

魏愛娟

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所宜昌443003）

為了滿足小型水下航行器、小型飛行器需求，引入一種提高MEMS微慣性航姿系統精度的方法。該系統采用MEMS傳感器獲取載體姿態運動信息，通過姿態解算，可實時輸出姿態參數，為載體控制系統提供輸入；此外，針對MEMS精度和穩定性方面難以滿足系統要求，以TMS320VC33為運算平臺，采用卡爾曼濾波和加計調平技術對系統進行動靜態修正，提高了系統測量精度。實踐表明，以ADIS16488 IMU為核心敏感元件的MEMS微慣性航姿系統能夠準確地測量載體姿態，其姿態角測量精度滿足靜態低于1°/20min、動態低于2°/20min。

MEMS；DSP；ADIS16488 IMU；卡爾曼濾波；加速度計修正

Class NumberTP391

1 引言

隨著慣性導航技術的發展，撓性慣導系統（體積大、壽命短）和光纖慣導系統（精度高、價格貴）難以滿足一些新興領域的要求。新興領域例如小型水下航行器、小型飛行器、智能炸彈、車載導航等場合急需體積小、精度高、功耗低、性價比高的慣導系統［1～2］。基于MEMS的慣性導航技術體積小、功耗低、性價比高引起國內外研究人員廣泛關注。賀元軍等提出了一種基于MEMS捷聯慣導系統的解算與誤差修正方法提高了簡易制導彈藥的導航和制導精度［3］；杜繼永等設計了一種低成本MEMS器件的捷聯航姿系統，系統滿足小型化、低功耗要求［4］；宋麗君等提出了一種小波閾值去噪法提升了MEMS陀螺儀的信噪比［5］；劉亞等設計了一種MEMS陀螺儀的慣性跟蹤裝置能夠有效跟蹤不規則運動物體［6］。此外，法國泰拉斯公司和美國羅克韋爾科林斯公司采用MEMS技術研制了微慣性航姿系統，在軍民市場均取得較大份額。然而，由于MEMS慣性傳感器的精度不高，如何采取措施提高實際應用場合的精度成為微慣性航姿系統研制關鍵［7］。

針對上述問題，文中提出了一種基于MEMS傳感器的微慣性航姿系統，對國內市場上MEMS陀螺儀和加速度計進行調研和測試［8～9］，著重考慮小型化低成本，采用高速數字信號處理、低階卡爾曼濾波算法和加速度計調平等技術保證姿態測量精度［10～11］。

2 系統設計方案

MEMS微慣性航姿系統主要由ADIS16488 IMU、FPGA、磁航向傳感器、捷聯解算板及IMU支架等組成。FPGA讀取載體角速率和加速度后傳輸給捷聯解算板內嵌的DSP，DSP實時解算輸出載機航姿信息和慣性測量數據；此外，為抑制MEMS陀螺和加速度計漂移引起的航向和姿態角誤差快速增長，采用加計調平、卡爾曼濾波和多傳感器融合技術對輸出進行校正，保證系統航姿精度滿足系統使用要求，總體設計方案如圖1所示。

2.1 系統對外接口

系統對外接口主要由捷聯解算板、轉接板、二次電源板組成。計算機捷聯解算板完成采集各類傳感器的輸出信息、進行捷聯航姿解算和誤差補償、管理對外通信；轉接板完成從慣性傳感器讀出陀螺加速度計的原始數據；二次電源板提供系統工作所需要的5V電源。

2.2 解算過程

系統采用的處理器為TMS320VC33，捷聯解算板完成的主要功能為數據采集與接收、卡爾曼濾波、誤差標定與補償、航姿態解算以及結果輸出等處理。系統根據測量待測設備角速度和加速度信號解算得到載體姿態信息；通過磁航向傳感器輸出航向、零速修正、卡爾曼濾波以及加速度計調平技術對輸出結果進行補償和修正，進而得到載體航姿信息的最優輸出；根據通訊協議完成系統內部和對外接口的通訊控制，按協議規定格式輸出姿態信息，捷聯解算原理如圖3。

2.3 軟件設計

計算機捷聯解算板選用TI公司的TMS320VC33 DSP作為核心中央處理單元CPU，采用C語言編程，并在CCS3.3集成開發環境下進行調試。按照軟件工程化設計思想，采用自頂向下、將軟件劃分為不同的模塊，主要包括軟硬件初始化模塊、數據接收、誤差標定與補償模塊、姿態解算濾波模塊和數據輸出模塊等，軟件主流程圖如4所示。

由于16488IMU內置的MEMS慣性傳感器難以滿足系統長時間工作的姿態精度，采用磁航向修正和加計調平技術對系統輸出進行修正。加計調平技術利用MEMS加速度計的輸出對姿態角進行修正，其求解俯仰角θ和橫滾角γ如式（1）～（2）所示：

當載體處于靜止時，利用速度誤差作為觀測量進行零速修正的卡爾曼濾波修正載體姿態，航向修正采用磁航向傳感器提供修正數據；當載體處于勻速運行狀態時，利用加速度計測量載體姿態角并更新姿態信息，提供姿態基準值并對陀螺漂移進行估算；當載體處于加速和減速運動時，將勻速運動時加速度計測量的姿態信息作為初始值，利用陀螺輸出進行捷聯解算測量載體姿態；當恢復勻速載體狀態時，重新利用加速度計測量載體姿態并進行姿態修正。

選用的HMR3500三軸磁航向傳感器已經對俯仰和傾斜角進行了補償，其輸出的航向數據更新率為10Hz，動態精度為1°，當運行過程中俯仰、橫滾和航向角速率均小于0.5°/s，用磁航向輸出修正系統航向。

長時間勻速狀態中，加速度計測量姿態信息為陀螺提供基準；短時間盤旋過程中，陀螺在加速度計提供的姿態角基礎上用角速率進行姿態動態計算。不管載體處于哪種模式，陀螺和加速度計都在聯合測量載體的姿態，并且在不同階段互相配合。判斷載體是否處于何種狀態，利用加速度計在載體的三個軸向分量與重力加速度的關系來判定，見式（3）：

由于工程實現過程中，會引入測量噪聲和外界干擾，判斷載體靜止或勻速直線運動時設置一個誤差門限值。若加速度計三軸測量值的平方與重力加速度的平方差值小于該誤差門限值時，即認為可對載體進行修正，見式（4）：

ε的值根據加速度計的噪聲強度結合經驗選取一個合理值，本系統ε值取0.015門限，則可能導致的姿態角最大誤差如式（5）所示：

從上式可以看出，理論上加計調平的姿態角最大誤差為0.86°，考慮加速度計漂移影響，經多次實測約引起大約為0.6°的誤差，合計最終姿態誤差約Sqrt（0.862+0.62）=1.05°，滿足要求。加速度計修正軟件流程圖如圖5所示。

3 試驗與結果

3.1 靜態精度

將系統水平靜置在具有北向基準的固定臺體上，在0°、180°各進行一次20min的靜態姿態精度測試試驗。姿態輸出穩定后，得到俯仰均值為0.067，橫滾均值為0.15，性能良好。

3.2 動態精度

微慣性航姿系統選用的16488IMU陀螺標稱漂移為6°/h，為了驗證改進方法對動態精度的影響，通過跑車試驗測試系統動態精度。在對準完成且數據同步后開始跑車，連續記錄20min系統輸出的姿態角。跑車過程車速控制在（50±10）km/h，由于受到周圍機動車行駛、建筑施工和工廠設備運行等對磁航向傳感器影響，會對用磁航向修正系統航向造成一定的誤差。俯仰初始基準值約為1.2°，橫滾初始基準值約為9°。

從圖6（a）、6（b）、6（c）中可知該慣性姿態系統除去安裝誤差后，按式（6）計算，在20min的測試過程中，其姿態輸出俯仰角和橫滾角均小于2°，滿足動態精度要求。

3.3 測量結果

對系統進行環境試驗、三軸轉臺及跑車等測試，并將測試結果記錄在表1中。航姿精度計算公式：式中：RMS為姿態精度；n為試驗次數；m為第i次試驗中的數據采樣點數；i為試驗次數，i=1，2，…n；k為采樣點，i=1，2，…，m；δθk為第i次試驗中第k個時間記錄的航向或姿態誤差。

由上表1和圖7可知，微慣性航姿系統的各項指標滿足要求；動態姿態精度滿足小于2°要求；零位的加速度和角速度精度的測量值能夠滿足實際應用需求；姿態測量范圍俯仰值的正、負最大值接近±85°，橫滾的正、負向最大值接近±180°。

表1 MEMS微慣性系統的性能測試結果

4 結語

基于MEMS的微慣性航姿系統具有體積小、重量輕、功耗低、價格便宜等優點。通過雙子樣旋轉矢量算法更新四元素進行姿態信息解算，降低導航計算運算負擔，充分利用零速修正、磁航向和加計調平技術對系統進行誤差補償，提高了系統的實時性，應用于水下航行器、水中兵器、小型飛行器等場合，可提供姿態、航向、加速度、角速度等狀態參數。在航行器聯試中的試驗表明：該系統各項性能滿足要求，具有良好的推廣價值。

［1］文煒.基于MEMS技術的慣性測量器件及系統的發展現狀和應用［J］.控制與制導，2006（9）：56-59.

［2］蔡春龍，劉翼，劉一薇.MEMS儀表慣性組合導航系統發展現狀與趨勢［J］.中國慣性技術學報，2009（5）：563-567.

［3］賀元軍，盧曉東，呂春紅.基于MEMS捷聯慣導系統的解算與誤差修正方法［J］.計算機測量與控制，2010，18（6）：1364-1368.

［4］杜繼永，黃國榮，張鳳鳴等.基于低成本MEMS器件的捷聯航姿系統設計［J］.傳感器技術學報，2011，23（11）：1662-1665.

［5］宋麗君，秦永元，楊鵬翔等.小波閾值去噪法在MEMS陀螺儀降噪中的應用［J］.測試技術學報，2009，23（1）：33-36.

［6］劉亞，康波.基于MEMS陀螺儀的慣性跟蹤裝置的設計與實現機算法實現［J］.測試測量技術，2010，19（9）：14-17.

［7］李澤民，段鳳陽，李贊平.基于MEMS傳感器的數字式航姿系統設計［J］.傳感器與微系統，2012（31）：27-32.

［8］胡少興，劉東昌，張愛武等.一種基于MEMS傳感器的無人飛艇航姿測量系統［J］.傳感器與微系統，2014（33）：58-65.

［9］C.Acar and A.Shkel.Inherently Robust Micromachined Gy?roscopes with 2-DOF Sense-Mode Oscillator［J］.Journal ofMicroelectromechanicalSystem，2006，15（2）：380-387.

［10］張斌.基于MIMU的捷聯慣性導航系統數據采集與處理技術研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

［11］王秀芝.無陀螺捷聯慣導算法在DSP上的實現研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.

Design and Implementation to Improve Precision of MEMS Micro Inertial Attitude System

WEI Aijuan
（No.710 Research Institute，CSIC，Yichang443003）

In order to meet the needs of small underwater vehicles and small aircraft，a method to improve the accuracy of MEMS micro inertial attitude system is introduced.MEMS sensor which measures the attitude motion information of the carrier is ap?plied in system，through the attitude calculation，the system that provides input parameters for carrier control system real-time out?puts attitude parameters.In addition，due to MEMS accuracy and stability is difficult to meet the system requirements，TMS320VC33 is used as computing platform in micro inertial attitude system，combining with Kalman filter and accelerometer cor?rection technology to correct static and dynamic parameter which improves the system measurement accuracy.The experimental re?sults show that the MEMS attitude and heading system which applied ADIS16488 as core sensitive element can accurately measure parameters of the carrier，and its attitude measurement accuracy is less than 1°/20min and less than 2°/20min.

MEMS，DSP，ADIS16488IMU，kalman filter，accelerometer correction

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.014

2017年2月14日，

2017年3月20日

魏愛娟，女，碩士研究生，工程師，研究方向：慣性導航技術及MEMS航姿微系統的設計實現。