MEMS与捷联式惯性导航的组合优势
基于MEMS的惯性测量组合设计与实现
基于MEMS的惯性测量组合设计与实现
李旬;李宏;高志勇;余胜义
【期刊名称】《自动化与仪表》
【年(卷),期】2024(39)2
【摘要】随着MEMS技术的不断发展与成熟,低成本、安装体积小、中精度的惯性测量组合在实际应用中具有重要价值。
该文设计了一种基于MEMS的惯性测量组合,该组合由微机械陀螺、加速度计、电源模块和电路板等组成,利用数字信号处理(digital signal processing,DSP)芯片对微机械陀螺和加速度计的信号进行采集,通过建立误差模型进行误差标定补偿,标定后的组合能够实时对外输出三轴角速度和加速度等传感器信息。
经试验验证,该标定方法能够修正惯性测量组合的安装误差,精度指标可以满足实际使用需要。
【总页数】5页(P126-129)
【作者】李旬;李宏;高志勇;余胜义
【作者单位】北京航天发射技术研究所;中国人民解放军93160部队
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.旋转弹用MEMS惯性测量组合数据硬回收系统设计
2.基于MEMS传感器惯性测量单元设计与实现
3.基于GPS/MEMS惯性传感器的车载组合惯导系统的设计
实现4.基于MEMS传感器的弹载数字惯性测量组合设计5.基于MEMS技术的微型惯性测量组合
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MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现
MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现MEMS_IMU_GPS组合导航系统是一种基于微电子机械系统惯性测量单元(IMU)和全球定位系统(GPS)的导航系统。
它通过将IMU和GPS的测量数据进行集成和融合，提供更准确和可靠的位置、速度和姿态信息。
在本文中，将详细介绍MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现原理和关键技术。
首先，需要了解IMU和GPS的基本原理。
IMU主要由三个加速度计和三个陀螺仪组成，用于测量物体的加速度和角速度。
GPS则通过接收卫星发射的信号来测量接收器与卫星之间的距离，从而确定接收器的位置。
IMU和GPS各自都有一定的测量误差，但是通过集成和融合它们的测量数据，可以大幅度提高导航系统的性能。
在实现MEMS_IMU_GPS组合导航系统时，首先需要对IMU和GPS的数据进行预处理。
对于IMU数据，需要进行误差补偿和积分处理。
误差补偿包括陀螺仪的零偏校准和加速度计的尺度因素校准等，以减小测量误差。
积分处理则可以将加速度计的测量值积分得到速度和位置信息，将陀螺仪的测量值积分得到姿态信息。
对于GPS数据，则需要通过解算接收机与卫星之间的距离，从而确定接收机的位置。
接下来，需要进行导航滤波的处理。
导航滤波是将IMU和GPS的数据进行集成和融合的关键步骤，常用的滤波算法包括卡尔曼滤波和粒子滤波等。
卡尔曼滤波是一种利用概率统计的方法对系统状态进行估计和预测的算法，可以融合IMU和GPS的数据，提供更准确和可靠的导航结果。
粒子滤波则是一种基于蒙特卡洛方法的滤波算法，通过对系统状态进行随机取样，逐步逼近真实状态。
此外，还需要考虑导航系统的误差补偿和校准。
导航系统在使用过程中，由于环境变化和传感器老化等因素，可能会产生误差和漂移。
为了提高系统的精度和可靠性，需要进行误差补偿和校准。
误差补偿包括对IMU 和GPS数据的实时校准和修正，以减小测量误差。
校准则包括对传感器的定标和校准，以保证传感器的准确性和一致性。
MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现
第5期
祝燕华等：MEMS-IMU/GPS 组合导航系统的实现
553
究具有一定温度自适应性的误差标定方法具有工程意义。
下面采用递推最小二乘自适应（ARLS）速率标定算法进行 MEMS 陀螺组件的误差标定。
综合考虑 MEMS 陀螺的零偏、安装误差和标度因数误差，则三轴 MEMS 陀螺组件的实际量测输出表示为：
MEMS 陀螺组件
MEMS 加计组件
ωb ib
—
误差
补偿 +
野值
解算捷联 姿态矩阵
剔除 f b
Cbn
fn
求解
比力方程
X
X
—
估计横滚角
和俯仰角
卡尔曼滤波器
计算 指令角速率
导航解算
— —
ωn ie
venn
速度位置输出 姿态航向输出
GPS 速度和位置
GPS 航迹角
图 1 MEMS-IMU/GPS 组合导航系统的工作原理 Fig.1 Operating principle of MEMS-IMU/GPS integrated navigation system
Wm = (I + KG )(I + θG )W + BG ≈ (I + KG + θG )W + BG
（1）
⎡0
其中， BG 为零偏矩阵， BG
= [Bgx
Bgy
Bgz ]T ； θG
为安装误差矩阵， θG
=
⎢ ⎢
−θ
gyz
⎢⎣ θgzy
差矩阵， KG = diag[Kgx Kgy Kgz ] 。式（1）可以列写为：
MEMS-IMU/GPS 组合的卡尔曼滤波器，利用加速度计倾角传感器原理估计载体的水平姿态，增强了姿态信息的
基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状
基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状一、本文概述随着微纳技术的快速发展，微型惯性导航系统（Micro-Inertial Navigation System, MINS）以其体积小、重量轻、功耗低等优点，在航空航天、无人驾驶、机器人导航、个人定位等众多领域展现出广阔的应用前景。
其中，基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术的微型惯性导航系统因其实用性和成本效益，成为了当前研究的热点。
本文旨在全面概述基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状，包括其基本原理、关键技术、应用领域以及面临的挑战。
我们将简要介绍惯性导航系统的基本原理和MEMS技术的基本概念。
然后，重点分析当前MEMS微型惯性导航系统的关键技术，如微型化设计、误差补偿与校准、数据处理算法等。
接着，探讨该技术在航空航天、无人驾驶、个人定位等领域的应用现状。
我们将讨论当前微型惯性导航系统面临的挑战，如误差累积、环境适应性等问题，并展望未来的发展趋势。
通过本文的阐述，希望能够为相关领域的研究人员和技术人员提供有价值的参考，推动基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展和应用。
二、MEMS技术在微型惯性导航系统中的应用微型惯性导航系统（Micro-Inertial Navigation System, MINS）结合了微型机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术与惯性导航原理，实现了导航系统的微型化、低功耗和高度集成化。
随着MEMS技术的快速发展，MINS在军事、航空、航天、无人驾驶以及消费电子等领域的应用越来越广泛。
MEMS加速度计和陀螺仪是MINS的核心部件，用于测量载体在三维空间中的加速度和角速度。
通过精确的测量和数据处理，它们为导航系统提供必要的导航参数。
与传统的惯性器件相比，MEMS加速度计和陀螺仪具有体积小、重量轻、功耗低和成本低的优点，非常适合用于构建微型化的惯性导航系统。
捷联惯导算法与组合导航原理讲义
捷联惯导算法与组合导航原理讲义一、捷联惯导算法捷联惯导（Inertial Navigation System，INS）是一种通过测量惯性传感器的运动参数实现导航定位的技术。
惯性导航系统中包括了加速度计和陀螺仪等传感器，通过测量物体的加速度和角速度，可以推算出物体的位置、速度和姿态等信息。
1.1加速度计加速度计是一种测量物体加速度的传感器。
常见的加速度计有基于压电效应的传感器和基于微机电系统（Microelectromechanical System，MEMS）的传感器。
加速度计的原理是通过测量物体受到的惯性力，推算出物体的加速度。
由于加速度是速度对时间的导数，因此通过对加速度的积分操作，可以计算出物体的速度和位移。
1.2陀螺仪陀螺仪是一种测量物体角速度的传感器。
常见的陀螺仪有机械陀螺仪和MEMS陀螺仪等。
陀螺仪的原理是基于角动量守恒定律，通过测量转动惯量的变化，推算出物体的角速度。
与加速度计类似，通过对角速度的积分操作，可以计算物体的姿态。
1.3捷联惯导算法离散时间模型中，位置、速度和姿态等状态变量通过积分加速度和角速度来更新。
由于加速度计和陀螺仪测量结果存在噪声，因此在积分操作时需要加入误差补偿算法来消除误差。
常见的误差补偿算法有零偏校正和比例积分修正等。
连续时间模型中，位置、速度和姿态等状态变量通过微分方程来描述，并通过求解微分方程来更新状态。
由于计算量较大，通常需要使用数值积分方法来求解微分方程。
常见的数值积分方法有欧拉法、中点法和四阶龙格-库塔法等。
二、组合导航原理组合导航是一种融合多种导航技术的导航方式。
常见的组合导航方式有捷联惯导与GPS组合导航。
组合导航通过融合多种导航系统的测量结果，可以提高导航定位的精度和可靠性。
2.1捷联惯导与GPS组合导航捷联惯导与GPS组合导航是一种常见的组合导航方式。
在这种方式下，捷联惯导提供了高频率的惯导数据，可以提供较高的定位精度，但是由于其测量结果累积误差较大，会逐渐偏离真实轨迹。
基于MEMS技术的惯性导航系统设计与制备
基于MEMS技术的惯性导航系统设计与制备导语：随着科技的不断发展，MEMS（微电子机械系统）技术在各个领域的应用越来越广泛。
其中，基于MEMS技术的惯性导航系统因其小型化、低功耗和高精度等特点，成为了现代导航领域的重要组成部分。
本文将探讨基于MEMS技术的惯性导航系统的设计与制备。
一、MEMS技术简介MEMS技术是一种将微观机械结构与微电子技术相结合的技术。
它通过制造微小的传感器和执行器，实现对微小物理量的测量和控制。
MEMS技术的核心是微加工技术，包括光刻、薄膜沉积、离子注入等工艺。
二、惯性导航系统的原理惯性导航系统是一种通过测量物体加速度和角速度来确定位置、速度和方向的导航系统。
它不依赖于外部信号，可以在没有GPS信号的情况下提供准确的导航信息。
惯性导航系统的核心是惯性传感器，包括加速度计和陀螺仪。
三、MEMS加速度计的设计与制备MEMS加速度计是惯性导航系统中的重要组成部分，用于测量物体的加速度。
它基于微机电系统技术，通过测量微小的质量变化来确定加速度。
制备MEMS加速度计的关键是制备微小的质量感应器和灵敏的电容传感器。
四、MEMS陀螺仪的设计与制备MEMS陀螺仪是惯性导航系统中另一个重要的传感器，用于测量物体的角速度。
它基于微机电系统技术，通过测量微小的转动变化来确定角速度。
制备MEMS陀螺仪的关键是制备微小的旋转结构和灵敏的电容传感器。
五、MEMS惯性导航系统的集成与测试将MEMS加速度计和陀螺仪集成到一起，形成完整的MEMS惯性导航系统。
通过精确的电路设计和封装工艺，实现对MEMS惯性导航系统的封装和保护。
最后，对MEMS惯性导航系统进行严格的测试和校准，确保其精度和可靠性。
六、MEMS惯性导航系统的应用前景基于MEMS技术的惯性导航系统具有体积小、功耗低和成本低的优势，因此在航空航天、自动驾驶和智能穿戴等领域有着广阔的应用前景。
随着技术的不断进步，MEMS惯性导航系统将会越来越普及和成熟。
基于MEMS的捷联式惯导的初始对准研究的开题报告
基于MEMS的捷联式惯导的初始对准研究的开题报告一、课题名称:基于MEMS的捷联式惯导的初始对准研究二、课题背景:捷联式惯性导航系统（INS）是一种能够确定飞行器位置、姿态和速度等参数的关键技术。
INS通常由陀螺仪和加速度计组成，通过测量飞行器在空间中的旋转和加速度来估计其位置和姿态。
传统的INS采用了机械式陀螺仪和加速度计，具有高精度和可靠性，但是成本昂贵且体积庞大。
近年来，基于MEMS技术的惯性传感器因其小型化、低成本和低功耗等优点而越来越受到关注。
因此，开发基于MEMS的捷联式INS在轻型飞行器中的应用具有重要意义。
初始对准是INS的一个重要过程，是使INS能够在没有先验信息的情况下确定其位置、速度和姿态的过程。
在初始对准中，通常需要使用地面测量设备或GPS等辅助手段来提供先验信息。
但是，在某些环境下，这些手段可能无法使用或精度不够高。
因此，开发无需外部辅助手段的初始对准算法，对于实现高精度的INS非常重要。
三、研究内容:本课题旨在研究基于MEMS技术的捷联式INS的初始对准问题，具体内容包括：1. 设计基于MEMS技术的捷联式INS硬件平台，包括陀螺仪、加速度计和数据采集系统等组件。
2. 提出基于MEMS技术的捷联式INS的初始对准算法，包括零偏校正、初始校正和姿态校正等环节。
3. 搭建实验平台，进行基于MEMS的捷联式INS初始对准算法的验证和实现。
四、研究意义:本课题的主要意义在于：1. 开发基于MEMS技术的捷联式INS对轻型飞行器进行导航和定位。
2. 通过研究基于MEMS的捷联式INS初始对准算法，降低INS对外部辅助手段的依赖，提高其精度和可靠性。
3. 探索MEMS技术在惯性导航领域的应用，促进相关技术的发展和应用。
五、研究方法和技术路线:本课题的研究方法和技术路线包括：1. 理论分析：通过分析MEMS技术的优点和缺点，结合已有的初始对准算法，提出基于MEMS技术的初始对准算法。
基于MEMS的惯性导航系统研究与设计
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垂直 ，但 由于焊接 、安 装 等 误 差 的存 在 ，在 选 用 单轴 或双轴 的传感器芯片时，并不能严格保证芯片输 出 轴 的正 交 ，这也成 为 惯 性 导航 系 统 中仪 器 误 差 的 主 要来源 。为避 免 单 轴 或 双 轴传 感 器 芯 片 存 在 的轴 向安装 误差 ，本文 选用 三轴 的 ＭＥＭＳ传 感器 芯片 。
操作系统的多任务设计方法及导航算法流程；该导航 系统能够实现 ＭＥＭＳ信 息的实时导航 实时操作 系统 导航算法
中图法分类号 ＴＮ９６４．３；
文献标 志码 Ａ
惯 性 导航技术 是 一 门综 合 性 技术 ，用 于对 运 动 １ 系统硬件组成
度慢、体积大 、功耗高、电路复杂 、可靠性低 ，无法满 足捷联 式惯 性 导 航 系 统 对 于微 型化 、高 精 度 、实 时 性 的要 求 。嵌 入 式 ＡＲＭ９处 理 器 具 有 高 速 、稳 定 、 功耗低 、简单 易用 、接 口丰 富等 特 点 ，在智 能 仪 器设 备 中得 到广 泛 的应 用 。采用 ＡＲＭ９处 理器 与 ＭＥＭＳ 器件设 计 的 惯 性 导航 系统 不但 可 以满 足 导航 系 统 对 于小 体积 、低 功耗 等 的 要 求 ，同 时也 可 满 足 导 航 系统 对于 高处理速 度 、高实时 性 的要 求 。
物体 的姿 态 、速 度 和 位 置 参 数 的确 定 ，该 项 技 术 广
泛用于航天 、航 空、航海和大地测量等领 域 ｊ。由
捷联 式惯 性 导 航 系统 的硬 件 主 要 包 括 ：ＭＥＭＳ
于捷 联惯 性导航 不受 外 界 电磁 和气 象环 境 干 扰 ，不 依赖 于外 界 条 件 ，并 且 具 有 良好 的 隐蔽 性 ，真 正 地 实现 了 自主导航 ，成 为 自主式 测 量 的最 佳 手 段 。 目
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MEMS惯性导航系统与捷联式惯性导航系统的组合优势
随着现在惯性导航在航天和军事领域的广泛应用，Yach实业的惯性导航技术研究也在不断的提升，MEMS 惯性器件的精度和稳定性对于和捷联式惯导的组合大大的扩大了其优点减小了缺点，提高了捷联式惯导系统的定姿和导航性能。
捷联式惯导系统（SINS）现在是惯性导航领域的主要发展方向。
由于捷联式和平台式相比有体积小、重量轻、成本低等优点，而且不像平台式需要机电平台为基础，大大的缩短系统的启动时间，也消除了平台式惯导系统的误差。
有了比平台式惯导系统的优势，捷联式惯导系统和MEMS惯导系统的器件的组合的扬长避短的技术研究是我们一直为此研发的动力。
由于捷联式惯导系统是直接将惯性器件直接安装在载体上测量加速度和角速度的，不再像平台式惯导系统需要稳定平台，而以计算机的“数学平台”来代替实体平台。
MEMS惯导器件与捷联式惯性导航的结
合会大大的减小捷联式惯性导航在载体上的占用面积，系统硬件设计简化，成本降低。
这两种惯导的结合在未来会是军事和航天研究所追崇的惯导技术，既缩短系统的启动时间、降低误差；又拥有体积小、重量轻、成本低、功耗低的特点。
MEMS 惯导系统和捷联式惯导系统的结合无疑不是将来惯导系统的主要发展方向。