一种基于冗余技术的MEMS惯性定位系统航向优化方法技术方案

本发明专利技术请求保护一种基于冗余技术的MEMS惯性定位系统航向优化方法，在现有的MEMS传感器技术工艺水平下，使用多个低精度传感器代替一个高精度传感器，从而达到提高系统可靠性和定位精度的同时还降低系统成本的目的。利用器件冗余技术，在不同位置配置陀螺仪，根据传感器测得的数据，计算出载体在x、y、z轴三个方向的加速度，根据加速度大小设定不同的权值，通过Kalman滤波建立冗余加速度计的系统状态方程和观测方程，结合传感器的配置矩阵得到冗余系统的传感器数据融合模型，最后根据权值将数据融合求出载体三轴最优角速度。本发明专利技术根据各陀螺仪敏感轴的加速度大小进行加权融合，降低陀螺仪受到外部加速度冲击、振动产生的漂移误差影响，有效地提高了系统的航向精度。有效地提高了系统的航向精度。有效地提高了系统的航向精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于冗余技术的MEMS惯性定位系统航向优化方法


[0001]本专利技术属于惯性导航
，涉及一种基于冗余技术的MEMS惯性定位系统航向优化方法，可用于降低陀螺仪受外部加速度冲击、振动产生的漂移误差影响，有效提高系统的航向精度。

技术介绍

[0002]目前应用较广的室内定位技术是惯性导航定位技术，惯性导航定位技术依靠系统自身传感器测量的加速度信息、角速度信息、高度信息得到运载体的姿态信息和位置信息，实现载体的定位。随着MEMS技术工艺的快速发展，MEMS惯性传感器的体积和精度不断优化、成本也不断降低，使得低成本、小型化、高精度的人员惯性定位智能终端成为可能。尽管MEMS技术工艺提高了MEMS惯性传感器的精度，但由于传感器技术工艺水平的限制，MEMS传感器的可靠性和测量精度相对较低，而提高传感器自身的测量精度以及可靠性是一个长期的过程，因此惯性定位系统的精度仍有不足。
[0003]本专利技术通过冗余技术在现有MEMS传感器件水平基础上提高惯性定位系统的可靠性和精度，在人员惯性定位系统中增加一定数量的陀螺仪、加速度计或使用多套系统构成冗余系统，保证系统的可靠性和定位精度。随着控制理论与计算机技术地发展，通过冗余技术提高惯性定位系统的可靠性和定位精度已成为惯性定位系统的研究热点。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种有效地降低外部加速度计的影响，从而输出最优的载体角速度值，提高系统的航向精度的基于冗余技术的MEMS惯性定位系统航向优化方法。本专利技术的技术方案如下：
[0005]一种基于冗余技术的MEMS惯性定位系统航向优化方法，其包括以下步骤：
[0006]对陀螺仪进行冗余配置，包括陀螺正交配置和陀螺斜置配置；
[0007]对陀螺仪的冗余配置方案，记录每个传感器配置信息和测量结果；
[0008]确定各陀螺仪受到的加速度大小，根据陀螺仪的的冗余配置方案和加速度计测到的数据，测量出载体在x、y、z三个方向的加速度；
[0009]针对同一方向的各种陀螺仪，根据受到的加速度大小设定不同的权重值进行融合；
[0010]利用Kalman滤波，通过对系统输入观测数据，对状态量进行最优估计，建立冗余加速度计的系统状态方程和观测方程；
[0011]根据传感器的配置矩阵H得出其左零空间基矩阵T；得到冗余系统的传感器数据融合模型；
[0012]计算出载体x、y、z三个轴方向的角速度值，根据各陀螺仪敏感器的加速度大小设定权值进行加权融合，分别计算出载体三轴最优角速度输出ω
x
、ω
y
、ω
z
。
[0013]进一步的，所述对陀螺仪进行冗余配置，包括陀螺正交配置和陀螺斜置配置，具体
包括：
[0014]采用6个陀螺仪进行冗余配置，其中3个陀螺正交配置，3个陀螺斜置配置，将3个斜置的陀螺分别安装在xoy、yoz、xoz面，分别与x、y、z轴夹角为α，同时，在每个陀螺仪的方向安装一个同向的加速度计。
[0015]进一步的，所述夹角α＝30
°
。
[0016]进一步的，所述确定各陀螺仪受到的加速度大小，根据陀螺仪的的冗余配置方案和加速度计测到的数据，测量出载体在x、y、z三个方向的加速度，具体包括：
[0017]确定各陀螺仪受到的加速度大小，根据陀螺仪的的冗余配置方案和加速度计测到的数据，测量出载体在x、y、z三个方向的加速度，Acc1、Acc2、Acc6可测量的载体x方向的加速度，分别记为Acx1、Acx2、Acx6，计算公式如下：
[0018][0019]Acc2、Acc3、Acc4可测量的载体y方向的加速度，分别记为Acy2、Acy3、Acy4，计算公式如下：
[0020][0021]Acc4、Acc5、Acc6可测量的载体z方向的加速度，分别记为Acz4、Acz5、Acz6，计算公式如下：
[0022][0023]其中，α＝30
°
，Acc
i
为第i个加速度的实际测量值，i＝1,2
…
,6。
[0024]进一步的，所述针对同一方向的各种陀螺仪，根据受到的加速度大小设定不同的权重值进行融合，具体包括：
[0025]对同一方向的各种陀螺仪，根据他们受到的加速度大小设定不同的权重值进行融合，Rx
i
为载体x方向第i个陀螺仪的权值，Ry
i
为载体y方向第j个陀螺仪的权值，Rz
i
为载体z方向第k个陀螺仪的权值；
[0026][0027]进一步的，所述利用Kalman滤波，通过对系统输入观测数据，对状态量进行最优估计，建立冗余加速度计的系统状态方程和观测方程，具体包括：
[0028]Kalman滤波是一种递归的估计，通过上一时刻状态的估计值以及当前状态的观测值就可以计算出当前状态的估计值。在预测阶段，滤波器使用上一状态的估计，做出当前状态的估计。在更新阶段，滤波器利用对当前状态的观测值优化在预测阶段获得的预测值，以获得一个更精确的新估计值。通过对系统输入观测数据，对状态量进行最优估计；针对冗余加速度计建立系统的状态方程和观测方程：
[0029]X(k+1)＝AX(k)+Bw(k)
[0030]Y(k)＝CX(k)+Hu(k)+v(k)
[0031]其中，X(k)为状态向量，表示加速度计的测量误差，X＝[σ1,
…
,σ6]T
；Y(k)为观测向量，表示加速度计的量测值，Y＝[m1，
…
，m6]T
；u(k)表示期望被估计的加速度；w(k)为系统噪声，v(k)为量测噪声；A为状态转移矩阵，C为观测矩阵，H为传感器的配置矩阵，B为噪声驱动矩阵。
[0032]进一步的，所述根据传感器的配置矩阵H得出其左零空间基矩阵T；得到冗余系统的传感器数据融合模型，具体包括：
[0033]生成矩阵H的左零空间基矩阵T，满足TH＝0，用矩阵T左乘观测方程为：
[0034]TY(k)＝TCX(k)+THu(k)+Tv(k)＝TCX(k)+Tv(k)
[0035]得到冗余系统的传感器数据融合模型：
[0036]X(k+1)＝AX(k)+Bw(k)
[0037]TY(k)＝TCX(k)+Tv(k)。
[0038]再利用Kalman滤波器对上述模型进行状态估计，可估计出每个传感器的量测误差
[0039]经过Kalman滤波以后的传感器观测值为
[0040][0041]对进行加权最小二乘估计。
[0042]进一步的，所述计算出载体x、y、z三个轴方向的角速度值，根据各陀螺仪敏感器的加速度大小设定权值进行加权融合，分别计算出载体三轴最优角速度输出ω
x
、ω
y
、ω
z
，具体包括：
[0043]计算出载体三轴最优角速度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于冗余技术的MEMS惯性定位系统航向优化方法，其特征在于，包括以下步骤：对陀螺仪进行冗余配置，包括陀螺正交配置和陀螺斜置配置；对陀螺仪的冗余配置方案，记录每个传感器配置信息和测量结果；确定各陀螺仪受到的加速度大小，根据陀螺仪的的冗余配置方案和加速度计测到的数据，测量出载体在x、y、z三个方向的加速度；针对同一方向的各种陀螺仪，根据受到的加速度大小设定不同的权重值进行融合；利用Kalman滤波，通过对系统输入观测数据，对状态量进行最优估计，建立冗余加速度计的系统状态方程和观测方程；根据传感器的配置矩阵H得出其左零空间基矩阵T；得到冗余系统的传感器数据融合模型；计算出载体x、y、z三个轴方向的角速度值，根据各陀螺仪敏感器的加速度大小设定权值进行加权融合，分别计算出载体三轴最优角速度输出ω
x
、ω
y
、ω
z
。2.根据权利要求1所述的一种基于冗余技术的MEMS惯性定位系统航向优化方法，其特征在于，所述对陀螺仪进行冗余配置，包括陀螺正交配置和陀螺斜置配置，具体包括：采用6个陀螺仪进行冗余配置，其中3个陀螺正交配置，3个陀螺斜置配置，将3个斜置的陀螺分别安装在xoy、yoz、xoz面，分别与x、y、z轴夹角为α，同时，在每个陀螺仪的方向安装一个同向的加速度计。3.根据权利要求1所述的一种基于冗余技术的MEMS惯性定位系统航向优化方法，其特征在于，所述夹角α＝30
°
。4.根据权利要求1所述的一种基于冗余技术的MEMS惯性定位系统航向优化方法，其特征在于，所述确定各陀螺仪受到的加速度大小，根据陀螺仪的冗余配置方案和加速度计测到的数据，测量出载体在x、y、z三个方向的加速度，具体包括：确定各陀螺仪受到的加速度大小，根据陀螺仪的的冗余配置方案和加速度计测到的数据，测量出载体在x、y、z三个方向的加速度，Acc1、Acc2、Acc6可测量的载体x方向的加速度，分别记为Acx1、Acx2、Acx6，计算公式如下：Acc2、Acc3、Acc4可测量的载体y方向的加速度，分别记为Acy2、Acy3、Acy4，计算公式如下：Acc4、Acc5、Acc6可测量的载体z方向的加速度，分别记为Acz4、Acz5、Acz6，计算公式如下：其中，α＝30
°
，Acc
i
为第i个加速度的实际测量值，i＝1,2
…
,6。
5.根据权利要求4所述的一种基于冗余技术的MEMS惯性定位系统航向优化方法，其特征在于，所述针对同一方向的各种陀螺仪，根据受到的加速度大小设定不同的权重值进行融合，具体包括：对同一方向的各种陀螺仪，根据他们受到的加速度大小设定不同的权重值进行融合，Rx
i
为载体x方向第i个陀螺仪的权值，Ry
j
为载体y方向第j个陀螺仪的权值，Rz
k
为载体z方向第k个陀螺仪的权值；6.根据权利要求5所述的一种基于冗余技术的MEMS惯性定位系统航向优化方法，其特征在于，所述利...

【专利技术属性】
技术研发人员：邸克，周渝，刘宇，杜佳佳，刘茄鑫，任杰，邹新海，文丹丹，黎人溥，郭俊启，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：