基于MEMS器件的低成本微慣性導航系統設計

摘要：設計了一款基于MEMS陀螺和MEMS加速度計的低成本微慣性導航系統。采用“四元數”法進(jìn)行姿態(tài)計算，通過(guò)比力變換、積分運算確定栽體的速度、位置。分析樣機運行結果可知，靜態(tài)運行15 s，姿態(tài)誤差最大為1．2°，速度誤差最大為4．5 m／s，位置誤差最大為33 m。實(shí)驗表明，該系統發(fā)散較快，但短期精度較高，為滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間導航，必須與其他導航如GPS組合，即可應用到普通導航領(lǐng)域，且能大大降低系統的成本和體積。
關(guān)鍵詞：微慣性導航系統；預處理；捷聯(lián)解算；MEMS陀螺

與傳統的慣性導航系統相比，由MEMS陀螺和MEMS加速度計構成的微慣性導航系統在成本、體積、重量等方面均具有顯著(zhù)優(yōu)勢，在飛機、導彈和艦船等軍事及民用領(lǐng)域均具有廣闊的應用前景。由于技術(shù)水平的局限，現今基于MEMS技術(shù)的微陀螺精度還不是很高，與光纖陀螺還有數量級的差距，但價(jià)格與之相比卻非常低。MEMS加速度計是所有MEMS傳感器中商業(yè)化應用最成功的，精度上已經(jīng)能夠滿(mǎn)足軍事應用要求。在此使用目前市場(chǎng)上的MEMS加速度計和低精度 MEMS陀螺來(lái)設計低成本微慣性導航系統，可用于對精度要求不高，但對成本比較敏感的領(lǐng)域，如小型無(wú)人機等。

1 微慣性導航系統硬件設計
設計的微慣性導航系統硬件主要包括MEMS慣性傳感器及信號調理模塊、信號采集處理與傳輸模塊、導航計算機及顯示模塊。其結構框圖如圖1所示。微慣性傳感器是慣性導航系統的核心敏感器件，其誤差是導航系統的主要誤差來(lái)源，其精度直接決定了導航的精度。


選擇ADI公司的ADuC842單片機，該單片機主頻可達16．67 MHz，片上自帶8路12位A／D，可用于溫度傳感器信號的采集，并完成陀螺和加速度計信號的讀取、預處理以及溫漂補償等操作，最終通過(guò)RS 232與導航計算機通信。
1．1 微慣性傳感器模塊
MEMS慣性傳感器模塊中的三軸陀螺由ADI公司3個(gè)單軸MEMS角速度傳感器ADXRS150組成，其角速度范圍為150°／s；三軸加速度計采用 ADI公司的MEMS加速度傳感器ADXL103和ADXL203組成，其中ADXL103是單軸加速度傳感器，ADXL203是單芯片雙軸加速度傳感器，將其正交放置組成三軸加速度計來(lái)測量運行載體沿其正交軸方向的線(xiàn)加速度。所選陀螺及加速度計均采用微機械技術(shù)，性能優(yōu)越、價(jià)格低廉，具有較高的性?xún)r(jià)比。根據慣性傳感器信號特點(diǎn)及A／D輸入范圍，系統的信號調理模塊主要包括信號的放大和低通濾波處理。選擇具有高精度、零漂移、軌對軌特點(diǎn)的運算放大器作為信號放大及緩沖器來(lái)滿(mǎn)足設計需要；陀螺性能好壞主要取決于陀螺漂移，而陀螺噪聲是引起陀螺漂移的一個(gè)重要因素，在此設計的陀螺工作帶寬在40 Hz，設計中增加了低通濾波器電路，以濾除40 Hz以外的干擾噪聲。