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第36届中国控制会议

作者： Chao Li Zhong Su Cheng-yu Fei Qing Li Li-qiang Zhang School of Automation Beijing Institute of Technology Beijing Key Laboratory of High Dynamic Navigation Technology Beijing Information Science & Technological University

ISBN: (纸本)9781538629185

Pedestrian’s attitude solution plays an important role in a lot of application *** the problem of the pedestrian’s wearable attitude solution,two kinds of wearable methods,chest-worn and waist-worn,are proposed with a novel combination method including Zero momentary attitude detection + Geomagnetic correction + Third-order Taylor expansion quaternion update algorithm(ZGT) to resolve the pedestrian’s *** addition,a walking experiment is designed on the multi-attitude such as snake-like,pitching,wobbling,spinning and moving ***-imu and laptop are used for the test data output,collecting,recording and processing the *** compared with the other methods,the imu placed on the waist and with new combination ZGT is selected as the best solution for this *** concise method can achieve easily the 14000 continuous data processed in 5.01 s and the total attitude angle deviation of the mean magnitude up to 10 compared with the result of international advanced production sbg mems-imu as an approximate true value standard by itself own complicated and precise *** other words,it also suggested that feasibility and effectiveness of this *** to the outdoor personnel positioning area,from calculating the difference between start and end point by moving an integral loop path on the track figure we can see:horizontal error accuracy,foot-mounted imu with this method,can reach 0.8%in a total 230 m *** also performs well on heading correction with waist-worn imu reducing the 9.1° yaw deviation in another *** the further applications,optimization and derivation,it can be considered as a new combined solution in the other fields when use the free inertial navigation which has accumulated error solely.

关键词： pedestrian’s attitude wearable ZGT mems-imu personnel positioning heading correction

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阵列式多mems-imu协同导航系统与算法

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中国惯性技术学报 2021年第5期29卷 569-575页

作者：沈凯左健文左思琪李岳伦刘雅萱郭文君北京理工大学自动化学院北京100081

在全球卫星导航系统受限甚至拒止环境下,通常借助惯性导航来实现无人车辆的自主导航与定位。mems-imu作为惯性导航的一种低成本途径,其长时间工作的精确度和可靠性较差,为了解决这一问题,设计了一种阵列式多mems-imu协同导航系统及相应... 详细信息

在全球卫星导航系统受限甚至拒止环境下,通常借助惯性导航来实现无人车辆的自主导航与定位。mems-imu作为惯性导航的一种低成本途径,其长时间工作的精确度和可靠性较差,为了解决这一问题,设计了一种阵列式多mems-imu协同导航系统及相应算法。综合利用mems-imu、旋转调制和协同导航技术,分析对比了基于旋转调制技术的双mems-imu协同导航方案,并设计了适用于自主无人系统导航的阵列式四mems-imu协同导航系统,实现不依赖卫星的高精度位置、速度和姿态等解算。基于mems-imu实际噪声数据的仿真实验结果表明:采用阵列式四mems-imu协同导航方案,在姿态、方位和水平定位精度上,较无mems-imu旋转系统均提高60%以上,显著提升了mems惯性器件导航的定向定位性能。

关键词：惯性导航 mems-imu 旋转调制协同导航自主无人系统

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mems-imu/GPS组合导航系统的实现

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中国惯性技术学报 2009年第5期17卷 552-556,561页

作者：祝燕华蔡体菁杨卓鹏东南大学仪器科学与工程学院南京210096

针对我国军事和民用对低成本、微小型、高性能导航系统的迫切需求,提出基于mems技术的imu/GPS组合导航系统方案,深入研究了构建该组合导航系统的关键技术。由于mems陀螺的零偏受到温度影响,提出采用递推最小二乘自适应标定算法(ARLS)进... 详细信息

针对我国军事和民用对低成本、微小型、高性能导航系统的迫切需求,提出基于mems技术的imu/GPS组合导航系统方案,深入研究了构建该组合导航系统的关键技术。由于mems陀螺的零偏受到温度影响,提出采用递推最小二乘自适应标定算法(ARLS)进行误差标定和补偿,从而提高mems陀螺的使用精度;建立了mems-imu/GPS组合的卡尔曼滤波器,利用加速度计倾角传感器原理估计载体的水平姿态,增强了姿态信息的冗余度和可靠性;设计了该组合导航系统的信息融合策略。最后,构建了基于DSP的mems-imu/GPS组合导航系统。机载飞行试验结果表明,该系统算法正确、性能可靠,达到了较高的导航精度,具有广阔的应用前景。

关键词： mems-imu GPS 最小二乘自适应标定算法卡尔曼滤波信息融合

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mems-imu/GPS组合导航系统关键技术研究

MEMS-IMU/GPS组合导航系统关键技术研究

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作者：孔祥雷中北大学

学位级别：硕士

mems-imu/GPS组合导航系统具有低成本、低功耗、小体积、轻质量及易批量生产等优点,因此有巨大的军事、民用价值和广阔的应用前景,本文针对M-imu的集成、分布式导航计算机的软硬件设计、组合导航系统关键技术等开展了较为深入地研究,所... 详细信息

mems-imu/GPS组合导航系统具有低成本、低功耗、小体积、轻质量及易批量生产等优点,因此有巨大的军事、民用价值和广阔的应用前景,本文针对M-imu的集成、分布式导航计算机的软硬件设计、组合导航系统关键技术等开展了较为深入地研究,所作的主要工作可归纳为如下几个方面： (1)组合系统的硬件平台搭建。完成了以mems惯性器件组成的惯性测量单元集成;完成以DSP+FPGA为核心的mems-imu/GPS分布式组合导航计算机设计,并对其进行了软、硬件调试;采用16位AD转换芯片和FPGA实现高精度数据采集;采用FPGA控制接收GPS接收机输出的导航电文,同时实现DSP和PC机的通信。 (2)组合导航系统的关键技术研究。针对mems-imu/GPS组合导航系统不同坐标系下的数据融合,提出了不同导航坐标系下的坐标系统一方法;利用GPS接收机输出的1PPS脉冲,结合FPGA、DSP内部的RAM、定时器、中断等相应的硬件资源与软件相结合,实现了M-imu和GPS的数据同步。 (3)设计了速度／位置组合的mems-imu/GPS组合滤波器。给出了惯导系统误差方程、GPS误差方程以及速度位置组合的状态方程和测量方程,并对状态方程和观测方程进行离散化,最后实现了组合系统开环卡尔曼滤波器。 (4)建立了mems-imu/GPS组合导航的实验系统,并进行了跑车实验。测试结果表明,设计的组合导航计算机能够满足系统需要,为今后进行mems-imu/GPS组合系统进一步实验研究奠定了良好的基础。

关键词： mems-imu 组合导航坐标系统一数据融合

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mems-imu标定补偿技术研究

MEMS-IMU标定补偿技术研究

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作者：郭刚强西安微电子技术研究所

学位级别：硕士

mems-imu由于其体积占用小、价格低廉、功耗低等诸多优点越来越广泛的应用于中低精度导航领域。为了充分发挥mems-imu的导航精度,必须对影响其精度的各种因素加以控制和补偿,包括系统误差、元件误差、随机误差等。其中,由惯性器件受到... 详细信息

mems-imu由于其体积占用小、价格低廉、功耗低等诸多优点越来越广泛的应用于中低精度导航领域。为了充分发挥mems-imu的导航精度,必须对影响其精度的各种因素加以控制和补偿,包括系统误差、元件误差、随机误差等。其中,由惯性器件受到环境温度变化的影响而造成的元件误差不可忽视。本文主要研究通过建立mems-imu的标定模型和温度误差模型(mems陀螺和mems加速度计),对mems-imu进行标定补偿,可以提高mems-imu的精度,从而达到提高导航精度的目的。具体实现方案分为以下几步。首先,分别对mems加速度计、mems陀螺建立零偏非线性温度误差模型,并对mems-imu建立标定模型。其次,设计有效的温度标定方案和系统标定方案,标定惯性器件的温度误差和系统误差。接着,用多元线性回归和BP神经网络两种方法,辨识非线性模型的参数,并且通过比较两种方法的辨识结果,分析辨识方法的有效性。最后,利用得到的非线性模型补偿惯性器件的温度误差,得到补偿后惯性器件的输入输出模型。

关键词： mems-imu 标定模型参数辨识温度误差

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高旋弹用mems-imu自动标定系统设计

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电光与控制 2023年第12期30卷 98-103页

作者：王靖骁刘宁苏中刘薛勤韦任北京信息科技大学高动态导航技术北京市重点实验室北京100000

针对高旋弹用mems-imu在传统标定方法中不能全面激活误差,且存在标定流程复杂、标定效率低的问题,设计一种高旋弹用mems-imu自动标定系统和方法。首先分析了高旋弹用mems-imu输出特性,构建误差模型,设计十二位十八速的标定方案,并优化... 详细信息

针对高旋弹用mems-imu在传统标定方法中不能全面激活误差,且存在标定流程复杂、标定效率低的问题,设计一种高旋弹用mems-imu自动标定系统和方法。首先分析了高旋弹用mems-imu输出特性,构建误差模型,设计十二位十八速的标定方案,并优化转台转动方案。通过自动标定系统,实现高旋弹用mems-imu的自动标定。实验结果表明,该方法能实现对高旋弹用mems-imu的自动标定,mems陀螺仪滚转、俯仰和偏航轴精度较传统方法分别提升98%,72%,73%以上;mems加速度计三轴精度分别提升53%,47%,7%,同时整个标定流程时间大幅减少,提高了标定效率。

关键词：高转速环境 mems-imu 自动标定系统

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基于mems-imu和机器学习的奶牛行为识别研究

基于MEMS-IMU和机器学习的奶牛行为识别研究

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作者：曹成森山东农业大学

学位级别：硕士

我国奶牛养殖业正在由劳动密集型向科技驱动型转变。奶牛养殖的信息化与自动化改造是实现奶牛养殖业以及整个乳制品行业技术升级的关键一步。目前已有的奶牛行为识别系统存在行为分类少、传感器佩戴繁琐和视频采集易受干扰等问题。针对... 详细信息

我国奶牛养殖业正在由劳动密集型向科技驱动型转变。奶牛养殖的信息化与自动化改造是实现奶牛养殖业以及整个乳制品行业技术升级的关键一步。目前已有的奶牛行为识别系统存在行为分类少、传感器佩戴繁琐和视频采集易受干扰等问题。针对目前奶牛行为识别与健康监测方面的问题,本文对基于惯导传感器和机器学习技术的奶牛行为识别方法进行研究。mems惯导传感器具有体积小、精度高、易于佩戴及维护等优点。利用惯导传感器采集奶牛行为数据并进行滤波降噪,将处理后的奶牛行为数据进行特征值提取,构建奶牛行为数据集并针对数据样本不平衡进行处理,利用线性判别、支持向量机、最邻近节点及决策树集成5种机器学习算法对数据进行训练分析,进而构建奶牛行为识别模型。主要研究内容如下:1)奶牛行为分类及数据采集。将奶牛日常行为分为站立、进食、行走、反刍、趴卧、挠痒、饮水及排泄,为奶牛的体况评定及健康监测提供参考。将惯导传感器佩戴于奶牛颈部进行数据采集。利用卡尔曼滤波算法对九轴惯导数据进行滤波降噪,防止异常数据影响识别准确度。对降噪后的惯导数据进行时域和频域特征值提取,并完成数据标记,构建奶牛行为数据集。使用SMOTE算法对少数类数据样本进行过采样,避免模型在训练时出现特征难以提取、过拟合等问题,增强模型的准确度及鲁棒性。2)构建基于机器学习算法的奶牛行为识别模型。对奶牛行为数据集进行随机抽取,70%作为训练集和30%作为测试集。使用训练集进行模型训练并利用网格搜索及随机搜索对模型进行优化。使用测试集测试优化后模型识别准确率同时计算模型的精确率、召回率以及两者的调和均值,并进行对比。最终,基于Ada Boost集成决策树算法的奶牛行为模型对奶牛8种行为平均识别准确率达到91.9%,值为90.9%。

关键词：奶牛行为识别 mems-imu 特征提取机器学习

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基于mems-imu的姿态测量系统设计与实现

基于MEMS-IMU的姿态测量系统设计与实现

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作者：林树彬佛山科学技术学院

学位级别：硕士

惯性导航技术有着其它导航技术无法比拟的优势,但是它的发展受到了惯性传感器的影响,传统的惯性传感器(陀螺仪和加速度计)虽然精度比较高,但是其体积大、价格昂贵、可靠性等缺点使得惯性导航技术只有在高端场合得到应用。随着mems惯性... 详细信息

惯性导航技术有着其它导航技术无法比拟的优势,但是它的发展受到了惯性传感器的影响,传统的惯性传感器(陀螺仪和加速度计)虽然精度比较高,但是其体积大、价格昂贵、可靠性等缺点使得惯性导航技术只有在高端场合得到应用。随着mems惯性传感器的发展,使得惯性导航技术在中低端场合得到了推广。而mems-imu作为惯性导航的基本平台成为了学术界研究热点。本文的研究背景是研制一款实用的国产化mems-imu。因此本文从工程入手,深入了解了mems-imu的基本原理和发展历史,借鉴前人的经验,设计了mems-imu整体方案。选取了拥有全自主知识产权的国产mems陀螺和mems加速度计,选取意法半导体公司生产的STM32F407作为主控芯片。以模块化的设计思想设计了mems-imu的电源模块、mems加速度计模块、mems陀螺模块、主控模块和外部通信模块。并且配合imu结构设计对imu的整体尺寸进行优化。接着,针对mems惯性传感器的特性,分析了mems-imu的误差来源,选取了刻度因子、零偏和安装误差作为主要误差源,建立了相对应的误差模型并给出了具体的标定方法。通过对mems加速度计和mems陀螺进行标定实验,验证了标定方法的可行性。最后,给出了捷联式惯性导航系统所使用的坐标定义及姿态表示方法,阐述了捷联式惯性导航系统姿态矩阵的求解方法。介绍了Kalman滤波原理并且和Mahony互补滤波做比较,最后选用Mahony互补滤波四元数姿态解算算法更新姿态角,实验表明该方法满足实际应用要求。

关键词： mems-imu 标定补偿姿态解算互补滤波

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具有寻北功能的mems-imu旋转调制系统研究

具有寻北功能的MEMS-IMU旋转调制系统研究

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作者：王佳慧南京理工大学

学位级别：硕士

近年来,微机电(micro-electro-mechanical systems,mems)惯性器件技术蓬勃发展,凭借其低成本、小体积、高可靠性,易于大批量生产等优点,在民用、军用等领域的惯性导航系统中得到越来越多的应用。本文面向民用领域的高精度快速定向导航... 详细信息

近年来,微机电(micro-electro-mechanical systems,mems)惯性器件技术蓬勃发展,凭借其低成本、小体积、高可靠性,易于大批量生产等优点,在民用、军用等领域的惯性导航系统中得到越来越多的应用。本文面向民用领域的高精度快速定向导航应用背景,开展了具有寻北功能的mems-imu旋转调制系统研究,包括mems-imu旋转调制系统的寻北原理和导航机理,寻北、导航系统的滤波算法,样机的设计制作,仿真与实验验证等,旨在深入研究mems-imu寻北导航一体化的可行性。本文进行旋转调制机理和误差分析,基于旋转方式的可实现性、实现转动方式的成本大小等原则,分别从不同角度考虑旋转调制方案的设计与选择,设计了基于mems-imu的旋转调制寻北和导航方案。研究了mems-imu的标定方法,通过角速率实验和角位置实验,对mems-imu进行了标定,完成了误差补偿。完成了mems-imu旋转调制系统样机的设计与实现,搭建了实验平台,通过仿真和实验对寻北、导航方案及解算算法进行验证。结果表明,采用旋转调制的mems-imu系统性能得到明显的提升:3分钟静态寻北精度可达1°左右;10分钟静基座导航实验的速度误差由250m/s降至10m/s;位置误差由5×10～4m降至500m;俯仰角、横滚角误差由12°降至1.5°左右。

关键词： mems-imu 旋转调制导航解算寻北

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基于KF的冗余式mems-imu误差补偿技术研究

基于KF的冗余式MEMS-IMU误差补偿技术研究

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作者：杨丽哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

以冗余微机械惯性测量单元(mems-imu)为核心部件的捷联惯导系统,可兼顾高可靠性和强自主性等优点,在飞机、船舶、机器人、医学等领域应用广泛。由于惯导系统的主要误差源来自mems器件误差,因此可采用冗余mems-imu误差补偿技术提高捷联... 详细信息

以冗余微机械惯性测量单元(mems-imu)为核心部件的捷联惯导系统,可兼顾高可靠性和强自主性等优点,在飞机、船舶、机器人、医学等领域应用广泛。由于惯导系统的主要误差源来自mems器件误差,因此可采用冗余mems-imu误差补偿技术提高捷联惯导系统的导航精度。在实际工程应用中,由于冗余配置方案的多样性,存在现有的冗余惯性测量单元标定方法不能普遍应用的问题。因此对冗余mems-imu随机误差补偿和标定技术的研究具有重要意义。学位论文以冗余式捷联惯导系统为研究对象,以提高系统精度和可靠性为目标,研究冗余式mems-imu的误差特性、mems随机误差补偿技术、冗余mems-imu的标定技术。主要工作内容如下:首先,冗余式mems-imu误差分析。分析mems器件的随机误差特性;分析冗余式mems-imu的安装误差,刻度因数误差,常值误差,确定了误差模型;分析传统标定方法存在的问题,为后续冗余mems-imu随机误差补偿和标定奠定基础。其次,传统mems陀螺随机误差模型仅根据陀螺一次输出数据建立,但是随着mems陀螺使用环境发生变化,导致建立的随机误差模型参数发生变化,针对这一问题,提出改进方法对模型参数进行实时更新。针对滤波过程中系统噪声阵不准确导致滤波效果差的问题,提出一种基于R-AKF滤波的随机误差补偿方法。并设计动静态实验对算法进行验证。再次,设计冗余式捷联惯导陀螺仪的实验室标定方案。针对传统的冗余mems-imu误差模型精度低,计算复杂等问题,采用小角度旋转向量法对误差模型进行改进。针对观测矩阵的秩小于状态量,系统不完全可观的问题,提出一种零空间扩增算法,提高系统的可观测性。针对基于Kalman滤波的标定方案仅适用于线性系统的问题,提出一种基于AEKF滤波的冗余mems-imu的标定方案。最后,以四冗余mems-imu为实验对象,借助三轴惯导系统测试转台,进行四冗余mems-imu随机误差补偿和标定试验,来验证基于R-AKF滤波的随机误差补偿方法和基于AEKF滤波的冗余mems-imu的标定方案的有效性,试验结果表明,随机误差与确定性误差补偿后,陀螺量测精度大幅提高。

关键词： mems-imu 误差补偿分立式标定冗余配置

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