【摘 要】
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自古以来,寻北技术都在不断提升,从最初的指南针到现在的寻北仪,人们投入了大量的人力物力到寻北导航领域。随着微机电系统（Micro-electro Mechanical System,MEMS）技术的大力发展,MEMS惯性器件不仅继承了体积小的优点,还同时拥有价格便宜、质量小、能实现批量化生产的优势。这使得MEMS陀螺可以代替光纤等高精度陀螺进行寻北工作。本文进行基于MEMS-IMU（微机电系统惯性
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自古以来,寻北技术都在不断提升,从最初的指南针到现在的寻北仪,人们投入了大量的人力物力到寻北导航领域。随着微机电系统（Micro-electro Mechanical System,MEMS）技术的大力发展,MEMS惯性器件不仅继承了体积小的优点,还同时拥有价格便宜、质量小、能实现批量化生产的优势。这使得MEMS陀螺可以代替光纤等高精度陀螺进行寻北工作。本文进行基于MEMS-IMU（微机电系统惯性测量元件）的旋转调制寻北定向研究,通过对MEMS陀螺的误差分析和输出滤波降噪,考虑到实际工程应用中可能会存在寻北仪基座倾斜的情况,设计存在倾斜误差下的静态寻北补偿算法,再结合处于水平面时,寻北效果更好的动态寻北法设计了融合寻北方案,最终在即使存在基座倾斜的情况下,使寻北精度达到1°以内。综上,本文主要研究内容如下:1.阐述了基于MEMS-IMU进行寻北的研究背景和意义,对国内外关于寻北技术的发展和研究现状进行了介绍。随后根据寻北的基础知识介绍了常用的几种寻北方案（包括静态寻北和旋转动态寻北）,对静态寻北方案中的四位置寻北法进行了改进,对比了各个寻北方案的优缺点,分析了利用MEMS陀螺进行寻北的可行性。2.介绍了MEMS陀螺和Allan方差的原理,对MEMS陀螺存在的噪声进行分析,将得到的陀螺数据通过Kalman滤波进行处理,最后使得三轴的量化噪声分别降低0.2401°/h、0.1122°/h和0.1471°/h,其余四种噪声也都降低了1～2个数量级。提出标定方案解决MEMS-IMU中的安装误差,使得MEMS陀螺三轴的输出角度误差降低了2个数量级。3.设计了一种基于MEMS-IMU的旋转调制寻北方案,对IMU倾斜时提出基于静态寻北法的误差补偿模型,随后对动态寻北的原理进行了详解,设计动态寻北具体实施方案,根据快速傅里叶变化法确定旋转速度和采样频率,然后设计巴特沃斯滤波器,再对MEMS陀螺进行匀速旋转时的输出数据进行滤波,通过相位差法解算出动态寻北时的寻北精度,将此时处于水平面的Y轴和Z轴得到的寻北结果通过加权平均融合算法得到精度更高的动态寻北值,最后与经过倾斜误差补偿得到的静态寻北值再一次加权平均后得到最终寻北值。通过实验结果分析,最大均方根误差为0.920°,寻北精度误差不超过1°,通过本文设计的寻北方案进行寻北,验证了即使在IMU存在倾斜误差的情况下,依旧具有寻北精度高且重复性好的优点。
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