MEMS惯性测量组合的整体误差建模与标定

对微机电系统(MEMS)惯性测量组合(MIMU)的主要误差项进行分析,提出一种针对MIMU整体的误差补偿模型,模型囊括MEMS惯性传感器自身的零漂、互耦、标度因数非线性等误差,以及传感器安装误差、系统电路漂移等.根据模型设计整体标定和补偿方法,并用最小二乘法系统求解模型中的69个误差系数,避免单一传感器误差补偿的片面性.针对MEMS传感器明显的温度非线性,利用分段补偿的方法将所研制的MIMU的全温范围分成3段,分别求解各分段误差模型的误差系数进行补偿.经实验论证,该方法能有效地抑制多种误差项对MEMS传感器精度的影响,使MEMS陀螺和加速度计的精度提升1-2个数量级.     

基于MEMS陀螺的风洞模型水平姿态动态测量与精度评估

风洞实验对模型的水平姿态实时动态测量精度的要求不断提高,微小型飞行器模型、高精度的激光陀螺、光纤陀螺惯性测量单元往往在体积、质量方面受到限制,而单一的MEMS系统在水平姿态测量精度方面通常难以达到要求。采用高精度石英挠性加速度计替代MEMS加速度计,与MEMS陀螺进行组合测量。针对加速度计I/F转换脉冲量化及陀螺漂移对动态测量精度的影响,提出了一种基于速度观测Kalman滤波的水平姿态动态测量算法,以提高风洞实验中模型水平姿态的测量精度。提出了在三轴飞行模拟转台上,利用高精度激光陀螺捷联惯导系统的测量结果作为基准进行动态精度评估的方法,解决了安装误差、时间同步等因素对评估精度的影响。通过与其他几种惯性水平姿态测量方法进行精度对比,验证了该算法的技术优势。     

MEMS梳齿音叉陀螺零偏漂移特性研究

由于MEMS（微机电系统）音叉陀螺多用于车载及无人机导航等应用场合,而外界温度环境因素对其零偏性能有着很大的影响,因此其零偏漂移的大小直接影响着最终导航的性能。本文研究了全温范围传感器漂移特性,旨在提升陀螺零偏稳定性。通过改进电路设计以及采用实时补偿算法对其全温范围零偏漂移进行补偿,将零偏稳定性提升了一个数量级。     

MEMS梳齿音叉陀螺温度漂移特性研究

由于MEMS音叉陀螺多用于车载及无人机导航等应用场合,而外界温度环境因素对其零偏性能有着很大的影响,因此其温度引起的零偏漂移的大小直接影响着最终导航的性能。研究了全温范围传感器漂移特性,旨在提升陀螺温度漂移特性。通过改进电路设计以及采用实时补偿算法对其全温范围温度引起的零偏漂移进行补偿,将零偏稳定性提升了一个数量级。     

基于SiP的低成本微小型GNC系统技术

随着微机电系统(MEMS)技术及微惯性器件的发展,大量小型化、低成本、高性能的导航、制导与控制(GNC)产品正越来越多地应用于小型无人飞行器、地面无人系统以及精确制导弹药等领域.针对各类应用需求,基于MEMS惯性测量单元(IMU)、GNSS接收模块、全捷联红外/可见光/激光多模智能导引头、信息处理器(DSP)与数据链通信模块,采用SiP技术研制出GNC芯片.基于GNC芯片构建一体化微小型GNC系统,突破了基于SiP一体化微小型GNC系统集成、全捷联红外/可见光/激光多模智能感知、嵌入式深组合导航、全捷联多模智能导引头/导航/制导与控制一体化设计等关键技术,并对其性能进行了评估.微小型GNC系统技术为低成本小型无人系统和精确制导弹药的发展夯实技术基础.     

2021年国外惯性技术发展与回顾

对2021年IEEE惯性传感器与系统会议、MEMS国际会议、圣彼得堡组合导航会议等惯 性技术相关会议文献,以及惯性技术领域相关机构披露的动态信息进行详细梳理。总结了光学陀 螺、微机电(MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、原子陀螺和加速度计等惯性仪表及惯性系统的发 展现状,并对惯性技术领域的发展动向进行了剖析与展望。     

2022年国外惯性技术发展与回顾

惯性技术广泛应用于海、陆、空、天各种载体的导航、定位与控制。通过对2022年的IEEE惯性传感器与系统会议、DGON惯性传感器系统会议、MEMS国际会议和圣彼得堡组合导航会议等惯性技术相关会议文献以及惯性技术领域相关机构披露的动态信息进行的详细梳理,总结了光学陀螺、微机电(MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、加速度计以及新兴的量子惯性传感器等惯性仪表及惯性导航系统(INS)的发展现状,并对惯性技术领域的发展趋势进行了分析与展望。当前,惯性技术领域相关研究主要侧重于小型化、提高精度和降低成本等方面。其中,光学陀螺较为成熟,更为侧重于小型化相关研究;微机电陀螺正在致力于向导航级性能突破和发展;半球谐振陀螺主要着力于探索降低高端产品的制造成本。     

2020年国外惯性技术发展与回顾

通过对IEEE惯性传感器与系统会议、MEMS国际会议、圣彼得堡组合导航会议、PLANS会议和DGON ISS会议等惯性技术相关会议文献,以及惯性技术相关机构发布的一些动态信息进行梳理,总结分析了惯性技术领域的最新发展动态,并重点介绍了光学陀螺、微机电(MEMS)陀螺和加速度计等惯性器件的发展现状,以及美国为增强定位、导...     

2019年国外惯性技术发展与回顾

2019年，在IEEE惯性传感器与系统会议、MEMS国际会议、圣彼得堡组合导航会议、欧洲导航会议、美国导航学会的GNSS等会议上，国外惯性技术相关组织与机构纷纷报道其研究成果。结合惯性会议和相关研究机构披露的信息，梳理了惯性技术领域的最新发展动态，重点介绍了光学陀螺、微机电（MEMS）陀螺、半球谐振陀螺（HRG)、原子陀螺以及加速度计等惯性仪表及惯性系统的发展现状，并对惯性技术领域的发展动向进行了分析和展望。     

多个MEMS惯性姿态模块同时标定方法研究

针对MEMS 惯性姿态模块的应用需求, 根据已有的MEMS 三轴加速度计和 三轴陀螺仪的零偏、标度因子和非正交等误差及其随温度的变化模型, 设计了多个 MEMS 惯性姿态模块误差同时标定的方法,该方法可实现多个模块传感器数据的同步采 集,在常温下可对多个MEMS 惯性姿态模块的非正交误差进行批量标定,在全温度范围 内同时标定多个模块的温度漂移误差。试验表明,该方法校正了MEMS 惯性传感器的非 正交误差和温度漂移误差,提高了MEMS 惯性传感器的精度,同时提高了标定的效率, 减少了标定成本,有利于工程实现。     

三维随机振动环境下MEMS加速度计输出特性分析

对MEMS惯性测量单元进行了三维随机振动试验,初步探讨了MEMS惯性测量单元在三维振动试验条件下的故障模式:3个轴的MEMS加速度计均出现了零位偏移,该现象在单轴振动试验环境中并没有出现.从理论和仿真分析了该现象产生的机理,提出了解决办法并通过了试验验证.结果表明:三维振动比单轴的振动更能接近真实的振动环境,结构被激发的模态更丰富.通过采取措施,减小了加速度计的零偏值,从9.4m/s2降至1.97m/s2.     

Prototype personal navigation system

Honeywell Laboratories recently funded the development of a prototype personal navigation system based on MEMS technologies. The system components include a MEMS inertial measurement unit, a three-axis magnetometer, a barometric pressure sensor, and a SAASM GPS receiver. The system also uses Honeywell's human motion-based pedometry algorithm. The navigation process is based on a strap-down inertial navigator aided by feedback from a Kalman filter using typical measurements from the GPS, magnetometer and barometer when available. A key innovation is the addition of an independent measurement of distance traveled based on the use of a human motion algorithm. The navigation system combines the best features of dead reckoning and inertial navigation, resulting in positioning performance exceeding that achieved with either method alone. Subsequent to the Honeywell effort, DARPA funded an individual Personal Inertial Navigation System (iPINS) seedling program. Honeywell worked to improve the baseline personal navigation system with the objective of demonstrating the feasibility of reliably achieving navigation accuracy < 1 % of distance traveled in GPS-denied scenarios. In addition, an analysis was conducted to determine the benefit of incorporating terrain correlation into the personal navigation system. The results of this analysis indicate that overall navigation accuracy can be significantly improved through the application of terrain correlation. This presents an are presented. In addition, conclusions from the terrain correlation analysis conducted under the iPINS seedling program are included.     

Installation error calibration for MEMS angular measurement system in hypersonic wind tunnel

The accuracy of model attitude measurement has an important impact on wind tunnel test results. Microelectromechanical System Inertial Measurement Unit (MEMS IMU) provides a feasible way to measure model attitudes with high accuracy. However, the installation error between MEMS IMU coordinate system and the body coordinate system of test models can make the accuracy of the model attitude measurement decrease. In wind tunnel tests, the installation error depends on the relationship between the IMU and the model mechanism before tests. Therefore, in-field calibration in wind tunnel tests is necessary to reduce installation errors. To improve attitude measurement accuracy, the least squares quaternion calibration method based on MEMS IMU and six-position calibration procedure are proposed. High-precision three-axis turntable tests are performed. The pitch accuracy after calibration is higher than that before calibration in the angle of attack sweeping tests. The Root-Mean-Square Errors (RMSE) in the roll and yaw are within 0.01°, which are smaller than those before calibration. In the roll sweeping tests, RMSE of three attitude angles decrease significantly. In hypersonic wind tunnel tests, the pitch errors before and after calibration are within 0.05° and 0.02° in the angle of attack sweeping tests without wind. In five angle of attack sweeping tests with wind, the deviation between the mean of the pitch and the pitch after the elastic angle correction is within 0.03° and the standard deviation of five tests is within 0.01°. The proposed method is confirmed to enhance the accuracy of attitude measurement effectively, which is convenient for engineering applications.     

基于MEMS传感器的四旋翼组合测姿研究

针对四旋翼无人机机体尺寸较小、带载荷能力有限的特点,设计基于低成本MEMS惯性器件的测姿系统,以满足四旋翼无人机在系统控制方面的需求。但是低成本的MEMS惯性器件具有精度低,随机漂移大,容易受到外界环境干扰等缺点。本文充分发挥四旋翼无人机搭载的MEMS惯性器件的功能,分别利用两种方法测量载体姿态,并通过卡尔曼滤波的方法实现这两种测姿方法的数据融合。经过仿真分析,融合后组合测姿系统的测姿精度得到提高。     

MEMS陀螺零偏温度补偿模型研究

针对MEMS陀螺工作易受温度变化影响、角速度测量输出误差大、预热时间长的问题,通过大量实验数据分析、总结规律,建立了零偏温度补偿模型,并结合最小二乘法利用多元线性回归技术对模型参数进行了辨识。对比零偏温度补偿前后的试验结果表明,经过补偿后的MEMS陀螺不但测量精度得到提高,其工程应用稳定性也得到增强。     

磁强计数据辨识卫星自旋状态

针对近地低轨三轴稳定卫星在轨管理后期,除磁强计外其他姿态敏感器都无效情况下的姿态异常问题,分析了三轴稳定卫星失去姿态基准后,星体自旋状态下三轴磁强计测量数据的特点,提出了使用磁强计测量数据的矢量信息,以找到能够获取卫星状态的方法,从而建立了磁强计测量矢量与卫星自旋轴的几何关系,给出了处于自旋状态下的卫星自旋轴确定方法。通过此种辨识方法,获得了某气象卫星姿态异常翻转状态下的自旋矢量方向和自旋角速度,从而证明了该辨识方法快速、有效,可以作为姿态异常卫星自旋状态的辨识手段,为恢复卫星姿态提供了重要信息,具有一定的工程应用价值。     

基于任务的微机电惯性系统规模化测试技术研究

针对传统惯性测试技术测试周期长、测试效率低、测试成本高等问题,提出了基于任务的微机电惯性系统规模化测试解决方案。研究分析了微机电惯性系统测试技术的研究现状和发展趋势,建立了基于任务的微机电惯性系统测试体系,详细论证了微机电惯性系统批量、并行、自动化测试解决方案的可行性,为微机电惯性系统规模化测试实践奠定了基础。     

Real time estimator for control of an orbiting single tether system

A real-time estimator is developed for the control of the Tether Dynamics Explorer (TDE) system. TDE is being used in a series of tethered satellite flight experiments whose purpose is to validate existing system models and test proposed control laws. Each experiment consists of an orbiting Delta II second stage which deploys toward the Earth a small box-shaped passive endbody at the end of a flexible tether. A discrete extended Kalman filter (DEKF) is presented which can operate in real time and in conjunction with control laws. This filter estimates the in-plane and out-of-plane tether libration angles and their rates from a proposed three-axis tether tension measurement device in the Delta second stage. The simulation results indicate that the DEKF can estimate the libration angle and their rates from a three-axis tension and length measurement with an acceptable error. The relatively simple computations required make this algorithm particularly well suited for real-time operation.<>     

基于MEMS/UWB组合的室内定位方法

在深入研究超宽带（UWB）与车载低成本MEMS的定位原理和算法的基础上,提出了采用UWB辅助MEMS定位的算法,以抑制MEMS的发散并提高定位精度。设计了两者的融合定位算法,完成了基于MEMS/UWB的室内定位技术研究。最终试验运动253.4m,MEMS定位误差小于0.61m,MEMS/UWB融合定位误差小于0.07m。试验结果表明,MEMS/UWB算法与单独的MEMS定位算法相比,有效地提高了定位精度与定位稳定性。     

三轴磁通门传感器误差校正方法

三轴磁通门传感器在军事和民用领域应用广泛,但由于其存在三轴非正交、零偏和标度系数不一致的问题,导致其存在转向差,影响了其磁测精度。首先,分析了转向差的产生机理,建立了误差模型,通过最小二乘法估算出了误差参数,进而对磁测数据进行了转向差校正。仿真计算表明,该算法对误差参数估算准确,对磁场分量和总场模值均有较好的校正效果,证明了算法的有效性。在磁场测量实验中,利用该算法估算出了传感器的误差参数,并对实测磁场数据进行了校正。校正后,数据的转向差得到了明显抑制,提高了三轴磁通门传感器的测量精度。