基于MEMS器件的低成本微惯性导航系统设计

摘要：设计了一款基于MEMS陀螺和MEMS加速度计的低成本微惯性导航系统。采用“四元数”法进行姿态计算，通过比力变换、积分运算确定栽体的速度、位置。分析样机运行结果可知，静态运行15 s，姿态误差最大为1．2°，速度误差最大为4．5 m／s，位置误差最大为33 m。实验表明，该系统发散较快，但短期精度较高，为满足长时间导航，必须与其他导航如GPS组合，即可应用到普通导航领域，且能大大降低系统的成本和体积。
关键词：微惯性导航系统；预处理；捷联解算；MEMS陀螺

与传统的惯性导航系统相比，由MEMS陀螺和MEMS加速度计构成的微惯性导航系统在成本、体积、重量等方面均具有显著优势，在飞机、导弹和舰船等军事及民用领域均具有广阔的应用前景。由于技术水平的局限，现今基于MEMS技术的微陀螺精度还不是很高，与光纤陀螺还有数量级的差距，但价格与之相比却非常低。MEMS加速度计是所有MEMS传感器中商业化应用最成功的，精度上已经能够满足军事应用要求。在此使用目前市场上的MEMS加速度计和低精度 MEMS陀螺来设计低成本微惯性导航系统，可用于对精度要求不高，但对成本比较敏感的领域，如小型无人机等。

1 微惯性导航系统硬件设计
设计的微惯性导航系统硬件主要包括MEMS惯性传感器及信号调理模块、信号采集处理与传输模块、导航计算机及显示模块。其结构框图如图1所示。微惯性传感器是惯性导航系统的核心敏感器件，其误差是导航系统的主要误差来源，其精度直接决定了导航的精度。


选择ADI公司的ADuC842单片机，该单片机主频可达16．67 MHz，片上自带8路12位A／D，可用于温度传感器信号的采集，并完成陀螺和加速度计信号的读取、预处理以及温漂补偿等操作，最终通过RS 232与导航计算机通信。
1．1 微惯性传感器模块
MEMS惯性传感器模块中的三轴陀螺由ADI公司3个单轴MEMS角速度传感器ADXRS150组成，其角速度范围为150°／s；三轴加速度计采用 ADI公司的MEMS加速度传感器ADXL103和ADXL203组成，其中ADXL103是单轴加速度传感器，ADXL203是单芯片双轴加速度传感器，将其正交放置组成三轴加速度计来测量运行载体沿其正交轴方向的线加速度。所选陀螺及加速度计均采用微机械技术，性能优越、价格低廉，具有较高的性价比。根据惯性传感器信号特点及A／D输入范围，系统的信号调理模块主要包括信号的放大和低通滤波处理。选择具有高精度、零漂移、轨对轨特点的运算放大器作为信号放大及缓冲器来满足设计需要；陀螺性能好坏主要取决于陀螺漂移，而陀螺噪声是引起陀螺漂移的一个重要因素，在此设计的陀螺工作带宽在40 Hz，设计中增加了低通滤波器电路，以滤除40 Hz以外的干扰噪声。