基于MEMS器件的徒步导航系统的技术研究

常磊 王洪源沈阳理工大学信息科学与工程学院



基于MEMS器件的徒步导航系统的技术研究

常磊 王洪源
沈阳理工大学信息科学与工程学院

摘要：文章讨论了基于MEMS惯性器件的误差补偿技术，使用ZUPT（零速校正）方案实现对测量误差的补偿。文中对方案的实现细节进行了讨论，并设计了验证实验。实验结果表明ZUPT算法对于徒步导航系统的误差补偿有较好的效果。

关键词：零速校正 MEMS器件 导航系统

1　引言

随着微电子技术、集成电路技术和相关加工工艺的发展，MEMS器件凭借其轻巧的体积、较低的功耗、较高的可靠性与灵敏度等优势，极大地促进了传感器的微型化、智能化和网络化的发展uJ。^伍MS传感器作为获取信息的关键器件，已在卫星、火箭、航空航天设备、车辆、医学以及消费电子产品领域得到了广泛的应用。本文中的徒步导航系统使用MPU．6050运动处理模块作为运动数据采集和预处理的测量单元，实时地将人体运动的加速度、角速度信息通过标准USB接口发送到PC端的上位机软件中，并使用Matlab对记录的数据进行处理，加入ZuPT检测，对处理结果进行分析。

2　惯性测量单元

M叭7-6050是世界上首例集成了六轴传感器的运动处理单元旧J。相比于多组件方案，免除了陀螺仪和加速度计组合时的轴间差的问题，同时也使得包装空间大幅减。MPU一6050嵌入了三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计，由主12C将完整的九轴运动融合演算结果以单一数据流的形式输出到应用端。该数据流中包含了加速度和叠加方位信息的旋转量。MEMs加速度计用于测量载体的加速度，并提供相关的速度和位移信息。MEMS加速度计的主要性能指标包括测量范围∞J、分辨率MJ、标度因数稳定性旧J、标度因数非线性旧J、噪声、零偏稳定性和带宽等。

将MPU．6050测量单元与地面成水平状态安装到鞋面上，其中导航系统中集成了一个额外的滤波器，这样可以测量惯性测量单元安装点的运动属性来提高惯性导航系统的准确率。惯性导航的原理是这样的，对位移求导可以得到速度，而速度的导数是加速度。因此，从静止开始，对加速度的一次积分得到速度，二次积分得到位移。为了获得在导航坐标系下的加速度，首先得把三轴加速度传感器的测量向量转换到导航坐标系下，然后减去中立的加速度分量。三轴陀螺仪测量的系统角速度的积分提供了惯性测量单元的相对方位，这个相对方位就是用来进行坐标转换的关键数据。这样就给出了惯性测量单元的位置、速度以及方向。

如果正确地对系统进行初始化，那么它可以为将来所有的时间给出状态估计。但是对于低成本的传感器，估计的质量随着时间会迅速恶化。由于惯性导航系统的集成，小的测量误差也会不断积累。对于通常应用于惯性导航的MEMS传感器，由于误差的累积，使得在系统工作10s之后的位置估计变得没有意义。然而将惯性传感器中的惯性测量单元定期返回静止就可以规避这个问题。

对比其他追踪系统，基于MEMS传感器的追踪系统的误差相对来说比较大。因此下一步的研究方向在于如何提高系统定位精度。本系统最大的优点就在于它打破了外界参考系对于系统测量的制约，将空间内的自由测量变为现实。

参考文献

［1］李荣冰，刘建业，曾庆化，等．基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状［J］．中国惯性技术学报，2005，12（6）：88—94．

［2］DeyS，RoyN，XuW：eta1．Accemmt：Imperfectionsofaccele rometersmakesmar∞hones1’rackable［C］．ProceedingsoftheN etworkandDistributedSystemSecuritySymposium（NDSS），2014.

［3］刘危，解旭辉，李圣怡．微机械惯性传感器的技术现状及展望［J］．光学精密工程，2003，11（5）：425．431．