基于MEMS器件的低成本微慣性導航系統設計

摘要：設計了一款基于MEMS陀螺和MEMS加速度計的低成本微慣性導航系統。采用“四元數”法進行姿態計算，通過比力變換、積分運算確定栽體的速度、位置。分析樣機運行結果可知，靜態運行15 s，姿態誤差最大為1．2°，速度誤差最大為4．5 m／s，位置誤差最大為33 m。實驗表明，該系統發散較快，但短期精度較高，為滿足長時間導航，必須與其他導航如GPS組合，即可應用到普通導航領域，且能大大降低系統的成本和體積。
關鍵詞：微慣性導航系統；預處理；捷聯解算；MEMS陀螺

與傳統的慣性導航系統相比，由MEMS陀螺和MEMS加速度計構成的微慣性導航系統在成本、體積、重量等方面均具有顯著優勢，在飛機、導彈和艦船等軍事及民用領域均具有廣闊的應用前景。由于技術水平的局限，現今基于MEMS技術的微陀螺精度還不是很高，與光纖陀螺還有數量級的差距，但價格與之相比卻非常低。MEMS加速度計是所有MEMS傳感器中商業化應用最成功的，精度上已經能夠滿足軍事應用要求。在此使用目前市場上的MEMS加速度計和低精度 MEMS陀螺來設計低成本微慣性導航系統，可用于對精度要求不高，但對成本比較敏感的領域，如小型無人機等。

1 微慣性導航系統硬件設計
設計的微慣性導航系統硬件主要包括MEMS慣性傳感器及信號調理模塊、信號采集處理與傳輸模塊、導航計算機及顯示模塊。其結構框圖如圖1所示。微慣性傳感器是慣性導航系統的核心敏感器件，其誤差是導航系統的主要誤差來源，其精度直接決定了導航的精度。


選擇ADI公司的ADuC842單片機，該單片機主頻可達16．67 MHz，片上自帶8路12位A／D，可用于溫度傳感器信號的采集，并完成陀螺和加速度計信號的讀取、預處理以及溫漂補償等操作，最終通過RS 232與導航計算機通信。
1．1 微慣性傳感器模塊
MEMS慣性傳感器模塊中的三軸陀螺由ADI公司3個單軸MEMS角速度傳感器ADXRS150組成，其角速度范圍為150°／s；三軸加速度計采用 ADI公司的MEMS加速度傳感器ADXL103和ADXL203組成，其中ADXL103是單軸加速度傳感器，ADXL203是單芯片雙軸加速度傳感器，將其正交放置組成三軸加速度計來測量運行載體沿其正交軸方向的線加速度。所選陀螺及加速度計均采用微機械技術，性能優越、價格低廉，具有較高的性價比。根據慣性傳感器信號特點及A／D輸入范圍，系統的信號調理模塊主要包括信號的放大和低通濾波處理。選擇具有高精度、零漂移、軌對軌特點的運算放大器作為信號放大及緩沖器來滿足設計需要；陀螺性能好壞主要取決于陀螺漂移，而陀螺噪聲是引起陀螺漂移的一個重要因素，在此設計的陀螺工作帶寬在40 Hz，設計中增加了低通濾波器電路，以濾除40 Hz以外的干擾噪聲。