專利名稱：旋轉載體用imu的高精度方案與消噪方法
技術領域：
本發明涉及高性能微小型慣性儀表方案及設計UKF卡爾曼濾波對MEMS陀螺的隨機漂移的補償實現對旋轉彈的飛行姿態、位置和速度的精確測量。屬于導航與制導領域。
背景技術：
以陀螺儀和加速度計組合的慣性儀表，是用來自主測量載體運動加速度和姿態信 息，經過運算求出載體即時速度、位置和角速度、角位置，使武器系統實現精確打擊的關鍵部件。國內外陸軍彈藥中普遍采用旋轉彈體制，其最大的優點是采用高速旋轉保持其飛行穩定性，減小由于氣動外形的不對稱、質量偏心等引起的落點誤差。小到槍的子弾，大到遠程火箭均為旋轉弾。傳統無控彈藥最大的缺點在于其落點散布比較大，射擊準確度和射彈密集度都比較差，難以實現精確的殺傷效果。所以，常規火箭、炮彈需要引入軌跡控制技木，這樣，既能發揮旋轉彈火力密集、機動性好的優點，又能有效解決其精確度不足的缺點，目前已成為國內外的普遍發展趨勢。旋轉彈增加軌跡控制，首先是要增加慣性測量裝置，以實現對旋轉彈飛行姿態的測量，再由控制系統根據測量結果對其彈道進行修正。鑒于旋轉彈內部安裝空間有限，旋轉彈用慣性測量裝置只能用小型化的慣性組合。但是由于旋轉彈存在一個高達lOr/s以上繞彈體縱軸的轉速，現有的陀螺儀在這樣的高轉速下其標度因數誤差劣于5PPM，極大地制約了慣導技術在旋轉彈上的應用。因此，迫切需要一種能夠直接應用于現有旋轉彈的捷聯慣性測量裝置，無需旋轉彈提供穩定平臺就能夠直接測量旋轉彈的飛行姿態、位置和速度。目前用于旋轉彈的捷聯慣性組合，由于缺少敏感高速橫滾角速率的陀螺儀，都在采取各種方法避免使捷聯慣性測量單元承受彈體的旋轉環境。如美國為首的5國正在聯合研制的GMLRS227mm遠程制導火箭彈，為了避免慣性測量単元承受旋轉環境，采取了増加ー個滑動軸承，隔離發動機的旋轉，通過空氣舵使制導艙保持傾斜穩定。這種方式的缺點是系統復雜、増加了無效重量，犧牲了一部分舵資源。美國正在研究能夠測量范圍達3600° /S、標度因數誤差小于5PPM的角速率陀螺儀，但是成本問題也難以在短期內得到解決。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對高速旋轉彈的制導改造需要，在已有研究基礎上，實現低成本陀螺儀和加速度計的小型化、高性能的捷聯慣性組合方案，以及充分利用現有的濾波技術實現MEMS陀螺的隨機誤差補償，以實現高轉速下IMU對旋轉彈的飛行姿態、位置、速度直接精確測量。本發明為實現上述目的，采用的技術方案是將慣性組合(MU)和旋轉彈固定在一起，采用三組MEMS正交陀螺、三個正交的高動態加速度計。主軸(對應載體的旋轉軸)采用兩個MEMS陀螺以提高精度，其它兩軸各自采用ー個MEMS陀螺，，三個正交軸各自采用ー個高動態加速度計，并且加上溫度傳感器以解決溫度變化引起MEMS陀螺及加速度計測量的誤差，電源設計采用2次電源，電路部分包括信號調理電路、16位A/D采集、ARM主控計算機及通信接ロ等，為解決MEMS陀螺的隨機漂移誤差這里采用UKF濾波實現對隨機漂移誤差的補償。旋轉載體用IMU的高精度方案與消噪方法具體實施如下第一歩，在載體高速旋轉的情況下，四個陀螺(其中主軸兩個)和三個高動態加速度計及溫度傳感器輸出信號，信號調理電路對信號的零偏，耦合情況進行調理，以及對信號進行放大等。第二步，設置采用頻率，采用16位A/D對調理過的信號進行采集。第三步，利用主控計算機(ARM)對信號進行處理，包括用UKF算法對MEMS陀螺隨機漂移誤差的補償(包括溫度補償)，以及補償溫度引起的加速度計測量的誤差等，處理后的數據為旋轉彈的真實飛行姿態、位置和速度。
第四步，輸出旋轉彈的真實飛行姿態、位置和速度。


圖I為高性能微小型慣性儀表方案結構圖示意2為三組MEMS正交陀螺示意3為MEMS陀螺儀的原始信號4為MEMS陀螺儀的數據預處理后的信號5為MEMS陀螺儀靜態隨機噪聲補償過程原理6為MEMS陀螺儀靜態隨機噪聲補償7為MEMS陀螺儀動態噪聲補償過程原理8為MEMS陀螺儀勻速轉動的噪聲補償9為MEMS陀螺儀角度和方向同時變化的噪聲補償10為圖9的局部放大圖
具體實施例方式(I)高性能微小型慣性儀表方案參見圖I慣性組合按照微小型化要求采用一體化設計，主要由三組MEMS正交陀螺、三個正交的高動態加速度計、結構本體、二次電源、信號處理及通訊接ロ等部分組成，如圖I所示。其中主軸(對應載體的旋轉軸)陀螺采用兩個MEMS陀螺以提高精度。(2) MEMS 陀螺MEMS陀螺芯片為外購件如圖2所示。對芯片進行了信號處理后封裝成單軸陀螺。3誤差分析及其補償3. I誤差來源慣性器件以其尺寸小、成本低、重量輕，但精度低，所以此慣性組合的主要誤差來源于MEMS陀螺的隨機漂移誤差。3. 2隨機誤差補償3. 2. I基于時間序列方法的建模時間序列分析建模的內容包括數據采集、數據的統計分析與預處理、模型階次的確定、模型參數的估計、模型適用性檢驗等問題。
(I)數據采集對MEMS陀螺輸出y軸輸出信號進行采樣。圖3為MEMS陀螺儀的原始漂隨機移信號(2)數據的預處理在對MEMS陀螺隨機漂移信號建立模型前，需要進行數據的預處理，使之成為零均值、平穩、正態的時間序列信號，然后才能對處理的信號建立數學模型。對信號的預處理包括I)異常值剔除所謂的異常值是指因實驗條件或測試儀器的突然失常、觀測人員的疏忽大意等造成的少量異常數據。它們以遠離大多數的觀測值的形式出現，因此必須剔除。
2)零均值處理對有限長的時間序列計算其均值，求出平均值后，將陀螺每ー時刻都減去平均值，即可得到零均值處理后的數據。3)提取趨勢項由于實際測量中陀螺隨機漂移數據序列經常為非平穩隨機序列，所以有時需要去掉其中ー個線性的或緩慢變化的趨勢。4)差分處理如果經過提取趨勢項后的序列仍為非平穩列，則需要對數據進行差分處理，直至得到平穩時間序列。5)數據檢驗數據的檢驗包括平穩性檢驗、正態性檢驗、零均值檢驗。平穩性檢驗用來檢驗漂移數據序列是否具有不隨時間推移而變化的統計特性，正態性檢驗用來判斷陀螺隨機漂移數據是否具有正態分布的特性，零均值檢驗是檢驗時間序列的均值是否為零，數據檢驗的方法已經非常成熟。(4)陀螺隨機漂移的模型辨識在實際工程應用中，時間序列模型一般可分為自回歸(AR)模型、滑動平均(MA)模型、自回歸滑動平均(ARMA)模型。由于陀螺漂移模型階次都比較低，一般不超過2到3階，且對于實際系統，隨機ARMA模型的自回歸階次大于或等于滑動平均階次，故誤差模型一般在AR(1)、AR(2)、AR(3)、ARMA(1，1)和ARMA(2，1)中選擇。經檢驗，數據預處理后的序列已達到平穩、正態、零均值的要求。圖4為MEMS陀螺Y軸輸出數據預處理后的信號。根據數據預處理后的數據建立不同的AR或ARMA模型，然后比較不同模型的AIC值，從中選取最理想的隨機漂移誤差模型，結果如表I所示。
「 AR(I)AR(2) 「 AR(3) 「 ARMA(1，1) ARMA(2,I)
al 0.4150O.54120.6114 -O.1531-O. 1515 "
a2 00. 30160.4270 00.0141 "
a3 000.2303 00"
bl 000-0.9418-0.9472 "
AIC -7.8186 -7.9151 -7.9702 -8. 1547-8.1551 "
表IMEMS陀螺隨機漂移模型參數及AIC值通過表I可以看出AIC值最小模型，為ARMA (2，I)模型，因此選取ARMA (2，I)模型為MEMS陀螺隨機漂移的數學模型。該模型數學表達式為xk = O. 1515XH-0. 0141xk_2+ek_0· 9472θη(I)其中et (t = I,... η, η+1,...)是相互獨立的白噪聲，xk(k = I,... η, η+1, · ·)是 狀態變量。3. 2. 2時間序列數學模型的狀態空間實現因為接下來要利用UKF實現對MEMS陀螺隨機漂移的一歩預測，因此這里狀態空間的系統變量數目設置為2，這里將時間序列轉化成狀態空間的模型。設此時間序列模型為
權利要求
1.旋轉載體用的慣性組合aMU)精確測量彈體飛行過程中的飛行姿態、位置和速度，包括以下步驟 第一歩，在載體高速旋轉的情況下，設計高性能微小型慣性儀表方案既四個MEMS陀螺(其中主軸兩個)和三個高動態加速度計及溫度傳感器輸出信號，信號調理電路對信號的零偏，耦合進行調理，以及對信號進行放大等。
第二歩，設置采樣頻率，采用16位A/D對調理過的信號進行采集。
第三歩，利用主控計算機(ARM)對信號進行處理，包括設計UKF算法對MEMS陀螺隨機 漂移誤差的補償(包括溫度補償)，以及補償溫度引起的加速度計測量的誤差等，處理后的數據為旋轉彈的真實飛行姿態、位置和速度。
第四步，輸出旋轉彈的真實飛行姿態、位置和速度。
2.根據權利要求書I所述慣性組合(IMU)測量彈體飛行過程中的飛行姿態、位置和速度的步驟其特殊之處如下 (1)步驟ー提出高性能微小型慣性儀表方案，此方案設計了三組MEMS正交陀螺、三個正交的石英數字加速度計，其中主軸(對應載體的旋轉軸)采用兩個MEMS陀螺以提高精度，此外它還有結構本體、二次電源、信號處理及通訊接ロ等部分組成。
(2)步驟三利用主控計算機(ARM)對信號進行處理，其特殊之處在于設計UKF卡爾曼算法對MEMS陀螺的隨機漂移誤差進行補償。
全文摘要
本發明涉及旋轉載體用的慣性組合(IMU)，它主要設計了高性能微小型慣性儀表方案(主要由四個MEMS陀螺構成三組正交陀螺、三個正交的石英數字加速度計、結構本體、二次電源、信號處理及通訊接口等部分組成)，設計了UKF卡爾曼濾波對MEMS陀螺的隨機漂移誤差進行有效補償。本發明具有量程寬、體積小、高動態、重量輕的特點，適用于可以實時測量高速旋轉彈體飛行過程中的飛行姿態，適用于遠程火箭彈，中、短程末制導彈藥、地面武器姿態穩定系統、航彈飛行控制系統以及無人機航姿系統，位置和速度。還可應用于核潛艇捷聯定位組合、環境的搖擺和傾斜的測量系統、各種車輛和輪船的慣性運動記錄系統等。
文檔編號G01C19/04GK102853834SQ201210003408
公開日2013年1月2日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者蘇中, 李擎, 吳小文, 除佳 申請人:北京信息科技大學