一种提高MEMS微惯性航姿系统精度的方法设计与实现

魏爱娟

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所宜昌443003）

一种提高MEMS微惯性航姿系统精度的方法设计与实现

魏爱娟

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所宜昌443003）

为了满足小型水下航行器、小型飞行器需求，引入一种提高MEMS微惯性航姿系统精度的方法。该系统采用MEMS传感器获取载体姿态运动信息，通过姿态解算，可实时输出姿态参数，为载体控制系统提供输入；此外，针对MEMS精度和稳定性方面难以满足系统要求，以TMS320VC33为运算平台，采用卡尔曼滤波和加计调平技术对系统进行动静态修正，提高了系统测量精度。实践表明，以ADIS16488 IMU为核心敏感元件的MEMS微惯性航姿系统能够准确地测量载体姿态，其姿态角测量精度满足静态低于1°/20min、动态低于2°/20min。

MEMS；DSP；ADIS16488 IMU；卡尔曼滤波；加速度计修正

Class NumberTP391

1 引言

随着惯性导航技术的发展，挠性惯导系统（体积大、寿命短）和光纤惯导系统（精度高、价格贵）难以满足一些新兴领域的要求。新兴领域例如小型水下航行器、小型飞行器、智能炸弹、车载导航等场合急需体积小、精度高、功耗低、性价比高的惯导系统［1～2］。基于MEMS的惯性导航技术体积小、功耗低、性价比高引起国内外研究人员广泛关注。贺元军等提出了一种基于MEMS捷联惯导系统的解算与误差修正方法提高了简易制导弹药的导航和制导精度［3］；杜继永等设计了一种低成本MEMS器件的捷联航姿系统，系统满足小型化、低功耗要求［4］；宋丽君等提出了一种小波阈值去噪法提升了MEMS陀螺仪的信噪比［5］；刘亚等设计了一种MEMS陀螺仪的惯性跟踪装置能够有效跟踪不规则运动物体［6］。此外，法国泰拉斯公司和美国罗克韦尔科林斯公司采用MEMS技术研制了微惯性航姿系统，在军民市场均取得较大份额。然而，由于MEMS惯性传感器的精度不高，如何采取措施提高实际应用场合的精度成为微惯性航姿系统研制关键［7］。

针对上述问题，文中提出了一种基于MEMS传感器的微惯性航姿系统，对国内市场上MEMS陀螺仪和加速度计进行调研和测试［8～9］，着重考虑小型化低成本，采用高速数字信号处理、低阶卡尔曼滤波算法和加速度计调平等技术保证姿态测量精度［10～11］。

2 系统设计方案

MEMS微惯性航姿系统主要由ADIS16488 IMU、FPGA、磁航向传感器、捷联解算板及IMU支架等组成。FPGA读取载体角速率和加速度后传输给捷联解算板内嵌的DSP，DSP实时解算输出载机航姿信息和惯性测量数据；此外，为抑制MEMS陀螺和加速度计漂移引起的航向和姿态角误差快速增长，采用加计调平、卡尔曼滤波和多传感器融合技术对输出进行校正，保证系统航姿精度满足系统使用要求，总体设计方案如图1所示。

2.1 系统对外接口

系统对外接口主要由捷联解算板、转接板、二次电源板组成。计算机捷联解算板完成采集各类传感器的输出信息、进行捷联航姿解算和误差补偿、管理对外通信；转接板完成从惯性传感器读出陀螺加速度计的原始数据；二次电源板提供系统工作所需要的5V电源。

2.2 解算过程

系统采用的处理器为TMS320VC33，捷联解算板完成的主要功能为数据采集与接收、卡尔曼滤波、误差标定与补偿、航姿态解算以及结果输出等处理。系统根据测量待测设备角速度和加速度信号解算得到载体姿态信息；通过磁航向传感器输出航向、零速修正、卡尔曼滤波以及加速度计调平技术对输出结果进行补偿和修正，进而得到载体航姿信息的最优输出；根据通讯协议完成系统内部和对外接口的通讯控制，按协议规定格式输出姿态信息，捷联解算原理如图3。

2.3 软件设计

计算机捷联解算板选用TI公司的TMS320VC33 DSP作为核心中央处理单元CPU，采用C语言编程，并在CCS3.3集成开发环境下进行调试。按照软件工程化设计思想，采用自顶向下、将软件划分为不同的模块，主要包括软硬件初始化模块、数据接收、误差标定与补偿模块、姿态解算滤波模块和数据输出模块等，软件主流程图如4所示。

由于16488IMU内置的MEMS惯性传感器难以满足系统长时间工作的姿态精度，采用磁航向修正和加计调平技术对系统输出进行修正。加计调平技术利用MEMS加速度计的输出对姿态角进行修正，其求解俯仰角θ和横滚角γ如式（1）～（2）所示：

当载体处于静止时，利用速度误差作为观测量进行零速修正的卡尔曼滤波修正载体姿态，航向修正采用磁航向传感器提供修正数据；当载体处于匀速运行状态时，利用加速度计测量载体姿态角并更新姿态信息，提供姿态基准值并对陀螺漂移进行估算；当载体处于加速和减速运动时，将匀速运动时加速度计测量的姿态信息作为初始值，利用陀螺输出进行捷联解算测量载体姿态；当恢复匀速载体状态时，重新利用加速度计测量载体姿态并进行姿态修正。

选用的HMR3500三轴磁航向传感器已经对俯仰和倾斜角进行了补偿，其输出的航向数据更新率为10Hz，动态精度为1°，当运行过程中俯仰、横滚和航向角速率均小于0.5°/s，用磁航向输出修正系统航向。

长时间匀速状态中，加速度计测量姿态信息为陀螺提供基准；短时间盘旋过程中，陀螺在加速度计提供的姿态角基础上用角速率进行姿态动态计算。不管载体处于哪种模式，陀螺和加速度计都在联合测量载体的姿态，并且在不同阶段互相配合。判断载体是否处于何种状态，利用加速度计在载体的三个轴向分量与重力加速度的关系来判定，见式（3）：

由于工程实现过程中，会引入测量噪声和外界干扰，判断载体静止或匀速直线运动时设置一个误差门限值。若加速度计三轴测量值的平方与重力加速度的平方差值小于该误差门限值时，即认为可对载体进行修正，见式（4）：

ε的值根据加速度计的噪声强度结合经验选取一个合理值，本系统ε值取0.015门限，则可能导致的姿态角最大误差如式（5）所示：

从上式可以看出，理论上加计调平的姿态角最大误差为0.86°，考虑加速度计漂移影响，经多次实测约引起大约为0.6°的误差，合计最终姿态误差约Sqrt（0.862+0.62）=1.05°，满足要求。加速度计修正软件流程图如图5所示。

3 试验与结果

3.1 静态精度

将系统水平静置在具有北向基准的固定台体上，在0°、180°各进行一次20min的静态姿态精度测试试验。姿态输出稳定后，得到俯仰均值为0.067，横滚均值为0.15，性能良好。

3.2 动态精度

微惯性航姿系统选用的16488IMU陀螺标称漂移为6°/h，为了验证改进方法对动态精度的影响，通过跑车试验测试系统动态精度。在对准完成且数据同步后开始跑车，连续记录20min系统输出的姿态角。跑车过程车速控制在（50±10）km/h，由于受到周围机动车行驶、建筑施工和工厂设备运行等对磁航向传感器影响，会对用磁航向修正系统航向造成一定的误差。俯仰初始基准值约为1.2°，横滚初始基准值约为9°。

从图6（a）、6（b）、6（c）中可知该惯性姿态系统除去安装误差后，按式（6）计算，在20min的测试过程中，其姿态输出俯仰角和横滚角均小于2°，满足动态精度要求。

3.3 测量结果

对系统进行环境试验、三轴转台及跑车等测试，并将测试结果记录在表1中。航姿精度计算公式：式中：RMS为姿态精度；n为试验次数；m为第i次试验中的数据采样点数；i为试验次数，i=1，2，…n；k为采样点，i=1，2，…，m；δθk为第i次试验中第k个时间记录的航向或姿态误差。

由上表1和图7可知，微惯性航姿系统的各项指标满足要求；动态姿态精度满足小于2°要求；零位的加速度和角速度精度的测量值能够满足实际应用需求；姿态测量范围俯仰值的正、负最大值接近±85°，横滚的正、负向最大值接近±180°。

表1 MEMS微惯性系统的性能测试结果

4 结语

基于MEMS的微惯性航姿系统具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜等优点。通过双子样旋转矢量算法更新四元素进行姿态信息解算，降低导航计算运算负担，充分利用零速修正、磁航向和加计调平技术对系统进行误差补偿，提高了系统的实时性，应用于水下航行器、水中兵器、小型飞行器等场合，可提供姿态、航向、加速度、角速度等状态参数。在航行器联试中的试验表明：该系统各项性能满足要求，具有良好的推广价值。

［1］文炜.基于MEMS技术的惯性测量器件及系统的发展现状和应用［J］.控制与制导，2006（9）：56-59.

［2］蔡春龙，刘翼，刘一薇.MEMS仪表惯性组合导航系统发展现状与趋势［J］.中国惯性技术学报，2009（5）：563-567.

［3］贺元军，卢晓东，吕春红.基于MEMS捷联惯导系统的解算与误差修正方法［J］.计算机测量与控制，2010，18（6）：1364-1368.

［4］杜继永，黄国荣，张凤鸣等.基于低成本MEMS器件的捷联航姿系统设计［J］.传感器技术学报，2011，23（11）：1662-1665.

［5］宋丽君，秦永元，杨鹏翔等.小波阈值去噪法在MEMS陀螺仪降噪中的应用［J］.测试技术学报，2009，23（1）：33-36.

［6］刘亚，康波.基于MEMS陀螺仪的惯性跟踪装置的设计与实现机算法实现［J］.测试测量技术，2010，19（9）：14-17.

［7］李泽民，段凤阳，李赞平.基于MEMS传感器的数字式航姿系统设计［J］.传感器与微系统，2012（31）：27-32.

［8］胡少兴，刘东昌，张爱武等.一种基于MEMS传感器的无人飞艇航姿测量系统［J］.传感器与微系统，2014（33）：58-65.

［9］C.Acar and A.Shkel.Inherently Robust Micromachined Gy⁃roscopes with 2-DOF Sense-Mode Oscillator［J］.Journal ofMicroelectromechanicalSystem，2006，15（2）：380-387.

［10］张斌.基于MIMU的捷联惯性导航系统数据采集与处理技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

［11］王秀芝.无陀螺捷联惯导算法在DSP上的实现研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

Design and Implementation to Improve Precision of MEMS Micro Inertial Attitude System

WEI Aijuan
（No.710 Research Institute，CSIC，Yichang443003）

In order to meet the needs of small underwater vehicles and small aircraft，a method to improve the accuracy of MEMS micro inertial attitude system is introduced.MEMS sensor which measures the attitude motion information of the carrier is ap⁃plied in system，through the attitude calculation，the system that provides input parameters for carrier control system real-time out⁃puts attitude parameters.In addition，due to MEMS accuracy and stability is difficult to meet the system requirements，TMS320VC33 is used as computing platform in micro inertial attitude system，combining with Kalman filter and accelerometer cor⁃rection technology to correct static and dynamic parameter which improves the system measurement accuracy.The experimental re⁃sults show that the MEMS attitude and heading system which applied ADIS16488 as core sensitive element can accurately measure parameters of the carrier，and its attitude measurement accuracy is less than 1°/20min and less than 2°/20min.

MEMS，DSP，ADIS16488IMU，kalman filter，accelerometer correction

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.014

2017年2月14日，

2017年3月20日

魏爱娟，女，硕士研究生，工程师，研究方向：惯性导航技术及MEMS航姿微系统的设计实现。