捷聯MEMS姿態測量系統的數據濾波分析

孫雅琴 高大遠 王小海

摘要：本文根據已經建立的MEMS陣列的捷聯姿態測量系統設計了一種FIR濾波器，利用該濾波器對MEMS陣列的捷聯姿態測量系統輸出的姿態信號進行濾波處理。通過幾組數據的對比分析，可看到該濾波器對于慣性器件輸出信號的降噪效果比較顯著。

關鍵詞：MEMS姿態測量系統;FIR濾波器;數據濾波分析

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0222-02

0 引言

MEMS技術經過近幾年的發展，特點優勢越趨明顯，成本低、體積小、功耗低作為其最顯著的優勢已經廣泛應用于各行各業。MEMS陀螺作為一種中低精度角速度傳感器不僅在民用行業中得到廣泛應用，在軍事方面如戰術武器的制導系統也開始大力推廣。利用MEMS器件的這些優點，結合捷聯姿態算法，作者設計了基于MEMS陣列的中低精度姿態測量系統，實現對載體姿態低速變化的實時測量。該測量系統采用6個MEMS陀螺和9個加速度計組成MEMS陣列來完成姿態的測量，可抑制單個慣性器件的零點誤差和溫度漂移，提高載體測量數據的可靠性與穩定性。但是該系統的MEMS陀螺和加速度計的輸出信號仍然存在隨機噪聲，這就需要采用適當方法對信號進行濾波。本文設計一種FIR濾波器對MEMS器件輸出信號進行濾波，并實時采集計算得到的姿態數據進行數據分析。

1 FIR濾波器設計

在對信號進行濾波前，首先采用滑動平均對原始數據進行處理，然后利用低通濾波器進行數據濾波。

FIR數字濾波器具有兩個優點，一是具有嚴格的線性相位，能夠避免被處理的信號產生相位失真。二是具有多帶幅頻特性。本文使用的濾波器就是基于FIR濾波器的這兩個特點進行設計的，該濾波器的頻率響應在某些連續的抽樣點上嚴格等于所希望的值。

1.1 FIR濾波器設計

設計的基本思想是要確定頻率響應，首先根據姿態測量系統輸出信號的要求指定，然后對其作IDFT，得到單位抽樣序列，然后構成濾波器的轉移函數，最后求出頻率響應。

第一步：確定

FIR濾波器具有線性相位，其采樣值對其有一定的限制條件，即單位采樣響應，為偶對稱。

當N為奇數時，

第二步：計算單位抽樣點序列

第三步：計算轉移函數

將的公式代入上式得

令，則

當抽樣點N取值越大，對的近似程度越好。

1.2 濾波器階次的估計

濾波器的階次（N-1）或長度N，與通帶及阻帶的衰減有關，同時和過渡帶的寬度有關。顯然，通帶越平、阻帶衰減越大以及過渡帶越窄，那么N就盡然增大，反之，N就減小。

估計N的公式如下所示：

或

式中是通帶紋波，是阻帶紋波，為過渡帶的寬度。

2 MEMS輸出信號濾波的結果分析

實驗用的姿態測量系統在三個方向上各安放有兩個MEMS陀螺和三個加速度計。當該姿態測量系統開始工作時，通過人為干擾的方式模擬海上風浪對測量系統的影響，對三個方向的MEMS器件輸出信號進行采集分析。MEMS器件的原始信號首先經硬件模擬電路進行第一次濾波——低通濾波，MEMS陀螺和加速度計輸出的信號波形如圖1和圖2所示。

通過調試發現，慣性器件對載體的運動變化敏感度較高，濾波放大電路也起到了一定的效果，但是信號噪聲仍然較大。將該信號再用FIR濾波器進行平滑和估計處理，其動態輸出信號濾波處理的實驗結果如圖3，4所示。

從圖3、4與1、2對比可以發現，濾波之前姿態測量系統輸出的信號中存在大量的隨機噪聲，若直接使用該測量系統，則測量出的姿態信息并精度較低，無法滿足高精度導航時姿態解算的要求。

經過FIR濾波器濾波之后的姿態測量系統能夠降低隨機噪聲，并更有效的敏感到微小的運動信號。如圖3和圖4所示，對姿態干擾較小的一些運動信號也能清晰的顯示出來。由此可見，該FIR濾波器對于MEMS慣性器件輸出的信號具有明顯的降噪效果。

參考文獻

[1]秦永元.卡爾曼濾波與組合導航原理[M].西安：西北工業大學出版社，1998.

[2]朱榮，周兆英.基于MEMS的姿態測量系統[J].測控技術，2002，21（10）：6-13.

[3]劉海穎，王惠南.低成本姿態測量系統研究[J].南京理工大學學報，2007，3（2）：233-237.

[4]徐玉，李平，韓波.一種面向機動的低成本姿態測量系統[J].傳感技術學報，2007，20（10）：2272-2275.

[5]趙耀霞.慣性導航系統航向姿態計算算法研究[J].機械工程與自動化，2006，（6）：102-104.

[6]毛牯，蔡體菁，劉勇.基于微型慣性測量單元的姿態測量系統[J].船舶電子工程，2008，28，（3）：76-78.

[7]汪芳，朱少華，雷宏杰.基于卡爾曼濾波器的數字式捷聯航姿系統算法設計[J].中國慣性技術學報，2008，16（2）：209-211.

Digital Filtering Analysis to Strapdown Attitude Measurement System

SUN Ya-qin，GAO Da-yuan，WANG Xiao-hai

（Navy Submarine Academy， Qingdao Shandong? 266071）

Abstract：This paper design a FIR filter which is used to a MEMS strapdown attitude measurement system. The FIR filter process the output signal of MEMS strapdown attitude measurement system. Through the specific measurement data processing， the designed filter is effective for data smoothing and noise-reduction of inertial instruement output.

Key words：MEMS attitude measurement system; FIR filter; digital filtering analysis