專利名稱：旋轉(zhuǎn)載體用imu的高精度方案與消噪方法
技術領域：
本發(fā)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(xiàn)對旋轉(zhuǎn)彈的飛行姿態(tài)、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(tài)信 息，經(jīng)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(tǒng)實現(xiàn)精確打擊的關鍵部件。國內(nèi)外陸軍彈藥中普遍采用旋轉(zhuǎn)彈體制，其最大的優(yōu)點是采用高速旋轉(zhuǎn)保持其飛行穩(wěn)定性，減小由于氣動外形的不對稱、質(zhì)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(zhuǎn)弾。傳統(tǒng)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(xiàn)精確的殺傷效果。所以，常規(guī)火箭、炮彈需要引入軌跡控制技木，這樣，既能發(fā)揮旋轉(zhuǎn)彈火力密集、機動性好的優(yōu)點，又能有效解決其精確度不足的缺點，目前已成為國內(nèi)外的普遍發(fā)展趨勢。旋轉(zhuǎn)彈增加軌跡控制，首先是要增加慣性測量裝置，以實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)彈飛行姿態(tài)的測量，再由控制系統(tǒng)根據(jù)測量結(jié)果對其彈道進行修正。鑒于旋轉(zhuǎn)彈內(nèi)部安裝空間有限，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彈存在一個高達lOr/s以上繞彈體縱軸的轉(zhuǎn)速，現(xiàn)有的陀螺儀在這樣的高轉(zhuǎn)速下其標度因數(shù)誤差劣于5PPM，極大地制約了慣導技術在旋轉(zhuǎn)彈上的應用。因此，迫切需要一種能夠直接應用于現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)彈的捷聯(lián)慣性測量裝置，無需旋轉(zhuǎn)彈提供穩(wěn)定平臺就能夠直接測量旋轉(zhuǎn)彈的飛行姿態(tài)、位置和速度。目前用于旋轉(zhuǎn)彈的捷聯(lián)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(lián)慣性測量單元承受彈體的旋轉(zhuǎn)環(huán)境。如美國為首的5國正在聯(lián)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(zhuǎn)環(huán)境，采取了増加ー個滑動軸承，隔離發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)，通過空氣舵使制導艙保持傾斜穩(wěn)定。這種方式的缺點是系統(tǒng)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(shù)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(nèi)得到解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對高速旋轉(zhuǎn)彈的制導改造需要，在已有研究基礎上，實現(xiàn)低成本陀螺儀和加速度計的小型化、高性能的捷聯(lián)慣性組合方案，以及充分利用現(xiàn)有的濾波技術實現(xiàn)MEMS陀螺的隨機誤差補償，以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下IMU對旋轉(zhuǎn)彈的飛行姿態(tài)、位置、速度直接精確測量。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用的技術方案是將慣性組合(MU)和旋轉(zhuǎn)彈固定在一起，采用三組MEMS正交陀螺、三個正交的高動態(tài)加速度計。主軸(對應載體的旋轉(zhuǎn)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(tài)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(diào)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(xiàn)對隨機漂移誤差的補償。旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的情況下，四個陀螺(其中主軸兩個)和三個高動態(tài)加速度計及溫度傳感器輸出信號，信號調(diào)理電路對信號的零偏，耦合情況進行調(diào)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(diào)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(shù)據(jù)為旋轉(zhuǎn)彈的真實飛行姿態(tài)、位置和速度。
第四步，輸出旋轉(zhuǎn)彈的真實飛行姿態(tài)、位置和速度。


圖I為高性能微小型慣性儀表方案結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)預處理后的信號5為MEMS陀螺儀靜態(tài)隨機噪聲補償過程原理6為MEMS陀螺儀靜態(tài)隨機噪聲補償7為MEMS陀螺儀動態(tài)噪聲補償過程原理8為MEMS陀螺儀勻速轉(zhuǎn)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(tài)加速度計、結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(nèi)容包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析與預處理、模型階次的確定、模型參數(shù)的估計、模型適用性檢驗等問題。
(I)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的預處理，使之成為零均值、平穩(wěn)、正態(tài)的時間序列信號，然后才能對處理的信號建立數(shù)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?qū)嶒灄l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(shù)據(jù)。它們以遠離大多數(shù)的觀測值的形式出現(xiàn)，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(shù)據(jù)。3)提取趨勢項由于實際測量中陀螺隨機漂移數(shù)據(jù)序列經(jīng)常為非平穩(wěn)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(jīng)過提取趨勢項后的序列仍為非平穩(wěn)列，則需要對數(shù)據(jù)進行差分處理，直至得到平穩(wěn)時間序列。5)數(shù)據(jù)檢驗數(shù)據(jù)的檢驗包括平穩(wěn)性檢驗、正態(tài)性檢驗、零均值檢驗。平穩(wěn)性檢驗用來檢驗漂移數(shù)據(jù)序列是否具有不隨時間推移而變化的統(tǒng)計特性，正態(tài)性檢驗用來判斷陀螺隨機漂移數(shù)據(jù)是否具有正態(tài)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(shù)據(jù)檢驗的方法已經(jīng)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(tǒng)，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(jīng)檢驗，數(shù)據(jù)預處理后的序列已達到平穩(wěn)、正態(tài)、零均值的要求。圖4為MEMS陀螺Y軸輸出數(shù)據(jù)預處理后的信號。根據(jù)數(shù)據(jù)預處理后的數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)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(shù)學模型。該模型數(shù)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(tài)變量。3. 2. 2時間序列數(shù)學模型的狀態(tài)空間實現(xiàn)因為接下來要利用UKF實現(xiàn)對MEMS陀螺隨機漂移的一歩預測，因此這里狀態(tài)空間的系統(tǒng)變量數(shù)目設置為2，這里將時間序列轉(zhuǎn)化成狀態(tài)空間的模型。設此時間序列模型為
權(quán)利要求
1.旋轉(zhuǎn)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(tài)、位置和速度，包括以下步驟 第一歩，在載體高速旋轉(zhuǎn)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(tài)加速度計及溫度傳感器輸出信號，信號調(diào)理電路對信號的零偏，耦合進行調(diào)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(diào)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(shù)據(jù)為旋轉(zhuǎn)彈的真實飛行姿態(tài)、位置和速度。
第四步，輸出旋轉(zhuǎn)彈的真實飛行姿態(tài)、位置和速度。
2.根據(jù)權(quán)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(tài)、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(shù)字加速度計，其中主軸(對應載體的旋轉(zhuǎn)軸)采用兩個MEMS陀螺以提高精度，此外它還有結(jié)構(gòu)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(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)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(gòu)成三組正交陀螺、三個正交的石英數(shù)字加速度計、結(jié)構(gòu)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(fā)明具有量程寬、體積小、高動態(tài)、重量輕的特點，適用于可以實時測量高速旋轉(zhuǎn)彈體飛行過程中的飛行姿態(tài)，適用于遠程火箭彈，中、短程末制導彈藥、地面武器姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)、航彈飛行控制系統(tǒng)以及無人機航姿系統(tǒng)，位置和速度。還可應用于核潛艇捷聯(lián)定位組合、環(huán)境的搖擺和傾斜的測量系統(tǒng)、各種車輛和輪船的慣性運動記錄系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者蘇中, 李擎, 吳小文, 除佳 申請人:北京信息科技大學