MEMS惯性/磁传感器自主标定与组合标定方法研究

作     者：孙逸帆 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邵雷

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：MEMS传感器 加速度计标定 陀螺仪标定 磁力计标定 

摘      要：随着惯性传感器与磁传感器在各个领域的广泛应用,对于传感器精度提出了更高的要求。传感器标定技术作为消除传感器确定性误差的关键,随着需求的发展逐渐成为国内外研究的热点。为了提高标定的精度与鲁棒性,本文对传感器的误差进行了各种不同的标定方法研究。首先,本文介绍了三轴惯性传感器与三轴磁传感器存在的各种确定性误差,并进行了相应的数学建模。在无外部辅助设备条件下,对三轴加速度计、三轴陀螺仪与三轴磁力计分别提出了加速度计极大似然估计标定法、陀螺仪积分标定法与磁力计椭球拟合标定法。这些方法克服了传感器传统标定方法需在外部辅助设备条件下进行的缺点,实现了微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)惯性传感器与磁力计现场标定。此外,针对传感器输出随温度变化的特点,利用三阶多项式参数拟合法完成参数拟合,进而完成对传感器的温度标定。通过仿真实验,证明了这些标定算法的有效性。其次,针对MEMS惯性与磁传感器进行了组合标定方法的研究。对于三轴陀螺仪,研究了磁力计输出辅助的陀螺仪叉乘标定法与加速度计输出辅助的陀螺仪四元数更新标定法。通过仿真试验证了这两种方法的有效性,并且比较了两种方法的标定效果。对于三轴磁力计,研究了加速度计输出辅助的磁力计点积标定法与陀螺仪输出辅助的磁力计最小二乘标定法。通过仿真试验证了这两种方法的有效性,并且比较了两种方法的标定效果。此外,对于惯性测量单元坐标系与磁力计坐标系间所存在的未对准误差,进行了分析建模,并通过仿真实验证明了这些标定算法的有效性。最后,在完成仿真结果验证了所提出算法的基础之上,进行了实验验证。搭建了MEMS传感器硬件平台,通过上位机软件采集传感器数据并进行算法验证。实验结果表明,三轴加速度计、陀螺仪与磁力计数据通过标定算法运算后均能完成标定,验证了标定算法的有效性与鲁棒性。