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MEMS组合导航模块的设计实现

发布时间:2020-07-21 19:28:15 阅读: 来源:滚焊机厂家

摘要:设计一种嵌入式卫星/MEMS组合导航模块。该模块采用北京时代民芯科技有限公司的国产化GPS/BD多模导航接收机,实现与MEMS惯性器件的软硬件融合。基于工程化应用,提出一种高可靠扩展卡尔曼滤波器滤波算法,实时校准各种误差项,改善组合导航模块性能。在静态情况下,模块姿态角误差小于0.2°,航向角误差小于0.5°。在动态情况下,姿态角与航向角误差小于1°,如果卫星导航突然中断,将能持续30秒,定位精度维持在20米内。

本文引用地址:引言

随着北斗导航应用的不断推广,国产导航芯片和模块持续升级,各领域应用对北斗导航产品性能提出新的要求:低成本、低功耗、小型化、高精度。

其中,GPS/BD多模导航的实现,很大程度满足国内外需求,集合MEMS惯性传感器的组合导航模块,进一步丰富多层面用户应用。与传统导航系统相比,卫星/MEMS组合导航模块,采用较低成本的MEMS惯性器件,极大降低导航系统成本、功耗和体积,与此同时,MEMS惯性器件具有瞬间较高精度的特点,弥补卫星导航不连续、输出频率不高、易失锁等不足[1~3]。

由于MEMS-IMU(IMU,惯性测量单元)精度仍处于较低水平,无法单独实现导航。通常采用MEMS-IMU与卫星导航接收机、磁强计等相结合的方式,构建组合导航模块,实现较高精度姿态控制与导航定位[2]。

为了适合特定导航应用,提出一种卫星/MEMS组合导航模块用工程化滤波算法。并在嵌入式平台上实现。

卫星/MEMS组合导航,通过算法实现角速度校准,加速度校准,以及磁校准;估计载体姿态角度,位置和速度信息,并以较高的输出速率实时更新。该系统中采用扩展卡尔曼滤波器(EKF)估算并校准系统状态量。通过融合卫星导航信息和磁强计信息,实时校准系统姿态、位置、速度和传感器误差。该EKF融合算法,考虑到传感器主要特性:零偏、标度因数误差、正交耦合误差等。此外,由于磁强计感测地磁场强度时,会受到硬铁和软铁干扰,因此在滤波器中对其进行估计。在静态情况下,系统姿态角误差小于0.2°,航向角误差小于0.5°。在动态情况下,姿态角与航向角误差小于1°,如果卫星导航突然中断,将能持续30秒,定位精度维持在20米内。

模块设计

综合考虑成本、功耗、体积、可靠性等因素,卫星/MEMS组合导航模块采用嵌入式平台开发方案[6],如图1所示。系统由处理器、MEMS-IMU、GPS/BD多模导航接收机、磁强计等重要部件组成。

姿态与航向校准算法

理想情况下,将陀螺感测的角速度信息融入姿态处理器,在获悉载体初始姿态情况下,同时认为陀螺的输出比较精准,一般的解算足以获得够用的姿态信息。然而,通常初始姿态无法准确获得,陀螺和加速度计都遭受随机漂移、失准角误差、加速度敏感误差、标度因数误差及其非线性等因素的影响,磁强计存在磁感应失真等。如图2所示,通过工装将模块安装于测试设备上,设计合理标定流程和算法,便可获得陀螺和加速度计常值零偏、标度因数、失准角误差量等关键参数。

通常在组合模块安装好之后,对磁强计的误差和干扰进行校准。姿态与航向解算中,陀螺的漂移引起的误差最大,如果没有滤波算法,解姿信息将不断偏离真实数值。该卡尔曼滤波器提供在线陀螺漂移校准,加速度计提供重力轴系参考,磁强计通过与加速度计配合,提供航向参考。

姿态估计算法中,提供稳定的三维欧拉角roll、pitch、yaw,为了提高精度并避免奇异,采用四元数法实时更新方向余弦矩阵。MEMS陀螺感测到载体角速度,通过差分方程实时更新姿态四元数,同时获得更新后的方向余弦矩阵,从而获得姿态角的更新。

卡尔曼滤波器姿态校准的实现,之所以能够改善性能,主要在于它能够准确估计出陀螺的漂移和姿态误差。这种方式的优点是:滤波器估计了绝对姿态误差,因而无论是哪一部分误差污染了姿态角,都可以直接用其来校准姿态角输出。姿态与航向校准模块,采用EKF,包含两个部分:线性姿态误差与陀螺漂移模型,非线性姿态四元数误差模型。状态模型基于陀螺输出数据,预测姿态误差和陀螺漂移,量测模型采用真实世界的姿态误差量测值校准预测部分,该姿态误差量测值由加速度计与磁强计获得。这两个参考数据源向卡尔曼滤波器提供适当的置信水平[4]。

航姿模块路测试验

为了能够正确推算模块的姿态、速度、位置等信息,准确对准初始姿态是十分必要的。由于低精度MEMS陀螺不能感测到地球自转角速率,因此不能采用传统的自对准方法实现初始化对准。基于系统方案,将磁强计与MEMS加速度计进行组合,构成测姿模块,实现初始化对准。如图2所示,单片磁强计由三轴正交磁阻传感器与数字化ASIC接口构成,磁强计不能单独确定航向角,需要MEMS-IMU模块中的加速度计配合,辅助磁强计精确确定航向角[2]。

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