常磊 王洪源沈陽理工大學信息科學與工程學院

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基于MEMS器件的徒步導航系統(tǒng)的技術研究

常磊 王洪源
沈陽理工大學信息科學與工程學院

摘要：文章討論了基于MEMS慣性器件的誤差補償技術，使用ZUPT（零速校正）方案實現(xiàn)對測量誤差的補償。文中對方案的實現(xiàn)細節(jié)進行了討論，并設計了驗證實驗。實驗結果表明ZUPT算法對于徒步導航系統(tǒng)的誤差補償有較好的效果。

關鍵詞：零速校正 MEMS器件 導航系統(tǒng)

1　引言

隨著微電子技術、集成電路技術和相關加工工藝的發(fā)展，MEMS器件憑借其輕巧的體積、較低的功耗、較高的可靠性與靈敏度等優(yōu)勢，極大地促進了傳感器的微型化、智能化和網(wǎng)絡化的發(fā)展uJ。^伍MS傳感器作為獲取信息的關鍵器件，已在衛(wèi)星、火箭、航空航天設備、車輛、醫(yī)學以及消費電子產(chǎn)品領域得到了廣泛的應用。本文中的徒步導航系統(tǒng)使用MPU．6050運動處理模塊作為運動數(shù)據(jù)采集和預處理的測量單元，實時地將人體運動的加速度、角速度信息通過標準USB接口發(fā)送到PC端的上位機軟件中，并使用Matlab對記錄的數(shù)據(jù)進行處理，加入ZuPT檢測，對處理結果進行分析。

2　慣性測量單元

M叭7-6050是世界上首例集成了六軸傳感器的運動處理單元舊J。相比于多組件方案，免除了陀螺儀和加速度計組合時的軸間差的問題，同時也使得包裝空間大幅減。MPU一6050嵌入了三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計，由主12C將完整的九軸運動融合演算結果以單一數(shù)據(jù)流的形式輸出到應用端。該數(shù)據(jù)流中包含了加速度和疊加方位信息的旋轉(zhuǎn)量。MEMs加速度計用于測量載體的加速度，并提供相關的速度和位移信息。MEMS加速度計的主要性能指標包括測量范圍∞J、分辨率MJ、標度因數(shù)穩(wěn)定性舊J、標度因數(shù)非線性舊J、噪聲、零偏穩(wěn)定性和帶寬等。

將MPU．6050測量單元與地面成水平狀態(tài)安裝到鞋面上，其中導航系統(tǒng)中集成了一個額外的濾波器，這樣可以測量慣性測量單元安裝點的運動屬性來提高慣性導航系統(tǒng)的準確率。慣性導航的原理是這樣的，對位移求導可以得到速度，而速度的導數(shù)是加速度。因此，從靜止開始，對加速度的一次積分得到速度，二次積分得到位移。為了獲得在導航坐標系下的加速度，首先得把三軸加速度傳感器的測量向量轉(zhuǎn)換到導航坐標系下，然后減去中立的加速度分量。三軸陀螺儀測量的系統(tǒng)角速度的積分提供了慣性測量單元的相對方位，這個相對方位就是用來進行坐標轉(zhuǎn)換的關鍵數(shù)據(jù)。這樣就給出了慣性測量單元的位置、速度以及方向。

如果正確地對系統(tǒng)進行初始化，那么它可以為將來所有的時間給出狀態(tài)估計。但是對于低成本的傳感器，估計的質(zhì)量隨著時間會迅速惡化。由于慣性導航系統(tǒng)的集成，小的測量誤差也會不斷積累。對于通常應用于慣性導航的MEMS傳感器，由于誤差的累積，使得在系統(tǒng)工作10s之后的位置估計變得沒有意義。然而將慣性傳感器中的慣性測量單元定期返回靜止就可以規(guī)避這個問題。

對比其他追蹤系統(tǒng)，基于MEMS傳感器的追蹤系統(tǒng)的誤差相對來說比較大。因此下一步的研究方向在于如何提高系統(tǒng)定位精度。本系統(tǒng)最大的優(yōu)點就在于它打破了外界參考系對于系統(tǒng)測量的制約，將空間內(nèi)的自由測量變?yōu)楝F(xiàn)實。

參考文獻

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