孫 偉,丁 偉,李瑞豹,閆慧芳

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院,遼寧 阜新 123000;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

?

基于小波降噪的MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)方法研究*

孫 偉1,2*,丁 偉1,李瑞豹1,閆慧芳1

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院,遼寧 阜新 123000;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

針對(duì)當(dāng)前MEMS器件受加工工藝限制導(dǎo)致器件輸出信噪比低,進(jìn)而影響MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)初始化的問(wèn)題,提出一種采用小波降噪的“重力+地磁”信息粗對(duì)準(zhǔn)方法。分析MEMS器件輸出信息結(jié)構(gòu)特征,探索不同小波基函數(shù)在不同分解層數(shù)下的降噪效果并設(shè)計(jì)小波分解方案并實(shí)現(xiàn)慣性器件噪聲的有效濾除;根據(jù)重力矢量垂直當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系水平面的特征,利用加速度計(jì)敏感重力矢量水平分量實(shí)現(xiàn)載體初始水平姿態(tài)角的確定;結(jié)合地球表面任意位置處的地磁信息具有唯一指向性的特征,通過(guò)測(cè)量載體所在位置處的地磁信息并結(jié)合磁偏角修正實(shí)現(xiàn)載體初始方位角的求取。轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)小波降噪處理后得到的重力與地磁信息可實(shí)現(xiàn)MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)。

關(guān)健詞:MEMS;慣導(dǎo)系統(tǒng);小波降噪;初始對(duì)準(zhǔn)

基于微機(jī)電MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術(shù)的慣性器件以其具有成本低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)在個(gè)人定位、無(wú)人機(jī)導(dǎo)航領(lǐng)域得到應(yīng)用[1-4]。作為慣導(dǎo)解算的基礎(chǔ),初始對(duì)準(zhǔn)的精度和速度直接制約著MEMS器件對(duì)于響應(yīng)速度和準(zhǔn)確度有更高要求領(lǐng)域內(nèi)的擴(kuò)展[5-6]。地球自轉(zhuǎn)角速度與重力加速度是描述地球物理特性的重要參數(shù),同時(shí)也是完成初始對(duì)準(zhǔn)的核心信息源。受國(guó)外導(dǎo)航級(jí)MEMS器件出口限制以及目前國(guó)內(nèi)加工工藝水平的影響,當(dāng)前基于MEMS技術(shù)的陀螺儀還存在信噪比低、漂移大等缺點(diǎn),導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)角速率信息容易淹沒(méi)在陀螺噪聲中,直接影響慣導(dǎo)系統(tǒng)方位對(duì)準(zhǔn)的可行性[7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞數(shù)字濾波器的低通高阻特性展開(kāi)了相應(yīng)的研究工作并實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS慣性器件輸出數(shù)據(jù)的降噪處理,但數(shù)字降噪過(guò)程中存在時(shí)間延遲和高階模型降低了慣導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力[8-10]。通過(guò)考慮地球磁場(chǎng)具有指向的特性,結(jié)合MEMS加速度計(jì)和磁力計(jì)具有零偏小、性能穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì),提出一種基于小波分解的MEMS加速度計(jì)和磁力計(jì)輸出信息降噪方法,實(shí)現(xiàn)基于“重力+地磁”的慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)。

1 基于小波分解的慣性器件降噪

小波分解是以Fourier變換為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)給定的信號(hào)加大小可變的時(shí)頻窗口將信號(hào)展開(kāi)成不同尺度下的小波序列,從而達(dá)到有效分離噪聲的目的[11-12]。MEMS慣性器件輸出信號(hào)表現(xiàn)為非平穩(wěn)信號(hào),其中包含的隨機(jī)噪聲一般表現(xiàn)為高頻分量,有用信息大多集中在低頻范圍內(nèi),但載體運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有隨機(jī)性導(dǎo)致有用信息將會(huì)分布在各個(gè)頻率段。此時(shí),傳統(tǒng)Fourier分析方法由于無(wú)法有效區(qū)分高頻噪聲和高頻有用信息而不再適用。小波分析是一種自適應(yīng)的時(shí)頻局部化分析技術(shù),將其應(yīng)用于慣性數(shù)據(jù)降噪處理,可以根據(jù)不同的慣性數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)頻窗口的大小和形狀以適應(yīng)實(shí)際分析的需要。具體執(zhí)行過(guò)程如下:

①信號(hào)分解,選擇小波并確定分解層數(shù)。一組原始的慣性數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一次小波分解后變?yōu)閮山M數(shù)據(jù),分別為經(jīng)過(guò)低通濾波器得到的低頻分量(近似系數(shù))和經(jīng)過(guò)高通濾波器得到的高頻分量(細(xì)節(jié)系數(shù))。從第2次分解開(kāi)始,以后每次分解只對(duì)低頻分量繼續(xù)進(jìn)行(如圖1所示)。

圖1 小波分解示意圖

圖1中:cAi、cDi(i=1,2,…,n)分別表示近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)。

(1)

(2)

2 地磁信息輔助的MEMS粗對(duì)準(zhǔn)

慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)之前進(jìn)行的初始對(duì)準(zhǔn)是為慣導(dǎo)解算提供初始姿態(tài)矩陣,而初始對(duì)準(zhǔn)精度直接制約著導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)的粗對(duì)準(zhǔn)過(guò)程包括水平對(duì)準(zhǔn)和方位對(duì)準(zhǔn)兩部分[13-14]。

2.1 水平姿態(tài)角的確定

傳統(tǒng)的方位自對(duì)準(zhǔn)是依據(jù)陀螺儀敏感地球自轉(zhuǎn)角速度北向分量實(shí)現(xiàn)方位角的計(jì)算,由于MEMS陀螺儀的器件精度低,導(dǎo)致陀螺儀輸出的地球自轉(zhuǎn)角速度信息淹沒(méi)在器件噪聲中,為了實(shí)現(xiàn)MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn),提出了方位角置零的假設(shè)并實(shí)現(xiàn)水平姿態(tài)的確定。

重力矢量的方向平行于導(dǎo)航坐標(biāo)系(n系)天向軸,MEMS加速度計(jì)用于敏感載體坐標(biāo)系(b系)3個(gè)方向的加速度變化。當(dāng)載體相對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系夾角不為零時(shí),水平加速度計(jì)輸出中將會(huì)敏感重力矢量在載體坐標(biāo)系的水平分量,通過(guò)計(jì)算水平分量與當(dāng)?shù)刂亓κ噶康娜呛瘮?shù)關(guān)系即可確定載體的水平姿態(tài)角(俯仰角θ和橫滾角γ),如式(1):

(3)

2.2 基于地磁信息輔助的方位對(duì)準(zhǔn)

(4)

磁力計(jì)輸出mb在地磁場(chǎng)導(dǎo)航坐標(biāo)系可表示為:

(5)

(6)

式(6)得到的載體磁方位角為象限角,取值范圍(-90°,90°),考慮載體方位角取值范圍是0～360°,因此可得到載體實(shí)際磁方位角ψm的計(jì)算結(jié)果:

(7)

磁極始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致磁北與地理北向之間夾角(磁偏角δ)的大小與經(jīng)緯度和時(shí)間有關(guān),載體所在位置處的磁偏角可通過(guò)軟件計(jì)算求取。定義磁北在真北西側(cè)時(shí)δ取正,反之取負(fù)。

根據(jù)如圖2描述的地理方位角ψ與磁方位角ψm的位置關(guān)系得到載體航向角ψ,實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)方位對(duì)準(zhǔn):

ψ=ψm+δ

(8)

圖2 磁北與真北幾何示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有MEMS慣性測(cè)量單元和三軸高精度慣性測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)建立實(shí)驗(yàn)環(huán)境(如圖3),分別開(kāi)展慣性器件降噪實(shí)驗(yàn)和粗對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。將安裝MEMS慣性測(cè)量單元的轉(zhuǎn)臺(tái)歸零后保持靜止,通電預(yù)熱5 min后開(kāi)始采集數(shù)據(jù),每次采集2 min,共采50組。其中,MEMS慣性測(cè)量單元中的加速度計(jì)和磁力計(jì)性能指標(biāo)如表1所示。

圖3 慣性測(cè)量單元與測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)

加速度計(jì)磁力計(jì)測(cè)量范圍±50m/s2±750mGauss線性度0．2%ofFS0．2%ofFS零偏穩(wěn)定性0．02m/s20．1mGauss刻度因子穩(wěn)定性0．03%0．5%噪聲0．002(m/s2)/Hz1/21．5mGauss帶寬30Hz10Hz

3.1 慣性器件降噪實(shí)驗(yàn)

對(duì)MEMS慣性數(shù)據(jù)降噪處理前,需要分析幾種常用小波基函數(shù)在不同分解尺度下的降噪效果,以對(duì)x軸加速度計(jì)輸出進(jìn)行降噪處理為例,以信噪比增益為判別依據(jù)得到分別采用harr、db8、sym6、coif4、dmey小波基函數(shù)1層～6層分解后的信噪比(如表2)。

表2 不同小波基函數(shù)在不同分解層數(shù)下的降噪效果比較

由表2可看出,x軸加速度計(jì)采用db8小波函數(shù)且分解層數(shù)為6時(shí)信噪比增益最大,此時(shí)降噪效果最好。按照同樣方法對(duì)其余MEMS器件求取最佳小波基函數(shù)和分解層數(shù)(如表3)。

表3 慣性器件最佳小波基函數(shù)和分解層數(shù)

圖4 濾波前后慣性器件對(duì)比曲線

對(duì)采集的加速度和地磁強(qiáng)度數(shù)據(jù)按實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)的小波降噪方法進(jìn)行降噪處理。為驗(yàn)證小波降噪對(duì)于改善MEMS慣性器件輸出降噪效果的優(yōu)勢(shì),將慣性器件原始輸出、數(shù)字濾波降噪和小波降噪后的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)比(如圖4)。

通過(guò)對(duì)圖5分析可看出,采用數(shù)字濾波降噪和小波降噪方案都可實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度和地磁信息的降噪處理,一定范圍內(nèi)限制了高頻噪聲干擾。但是通過(guò)對(duì)比濾波后的曲線可以看出,采用數(shù)字濾波降噪方案得到的加速度和磁強(qiáng)信息都存在一段時(shí)間的收斂過(guò)程,這在一定程度上影響了慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)快速性的要求。采用小波降噪方案得到的曲線不存在收斂過(guò)程,在保證濾波效果的同時(shí)又可以保證慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程的快速性。

圖5 對(duì)準(zhǔn)姿態(tài)角誤差

3.2 粗對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案的可行性,提取小波降噪后的加速度和地磁信息進(jìn)行50次粗對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用軟件求取轉(zhuǎn)臺(tái)所在位置處的磁偏角為-8°37′,將慣性測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)提供的姿態(tài)角作為參考基準(zhǔn),得到對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后的姿態(tài)角誤差曲線如圖5所示。

結(jié)合對(duì)圖5的分析可以看出,50次粗對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的俯仰角誤差和橫滾角誤差的最大值分別優(yōu)于0.75角分和0.65角分,方位角誤差優(yōu)于51.2角分。為進(jìn)一步觀察粗對(duì)準(zhǔn)方法的可行性和穩(wěn)定性,對(duì)3個(gè)姿態(tài)角誤差分別求取均值和標(biāo)準(zhǔn)差(如表4),可看出3個(gè)姿態(tài)角誤差均值優(yōu)于51.3角分,滿足慣導(dǎo)系統(tǒng)精對(duì)準(zhǔn)過(guò)程對(duì)于粗對(duì)準(zhǔn)后姿態(tài)誤差小于1度的要求,該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)開(kāi)展精對(duì)準(zhǔn)提供保障。

表4 姿態(tài)角均值與標(biāo)準(zhǔn)差

4 結(jié)論

論文提出一種基于小波分解的MEMS慣性器件降噪方法,通過(guò)選取最佳小波基函數(shù)和分解層數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳降噪模型的建立,將處理后的加速度和磁力信息實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)粗對(duì)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,粗對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后的水平姿態(tài)誤差優(yōu)于1角分、方位角誤差優(yōu)于1度,該對(duì)準(zhǔn)結(jié)果可以滿足慣導(dǎo)系統(tǒng)精對(duì)準(zhǔn)要求,此外,論文提出的粗對(duì)準(zhǔn)過(guò)程時(shí)間短,可以滿足慣導(dǎo)系統(tǒng)的快速性要求,為MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)精對(duì)準(zhǔn)方案的研究奠定基礎(chǔ)。

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孫 偉(1984-),男,教授,博士生導(dǎo)師,黑龍江蘿北縣人。中國(guó)宇航學(xué)會(huì)會(huì)員,中國(guó)慣性技術(shù)協(xié)會(huì)會(huì)員;2007年于哈爾濱工程大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,2011年于哈爾濱工程大學(xué)獲得博士學(xué)位。主持國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研項(xiàng)目8項(xiàng);發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇。長(zhǎng)期從事慣性導(dǎo)航技術(shù)研究,sunwei-3775235@163.com;

丁 偉(1992-),男,四川省巴中市人。現(xiàn)為遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院碩士研究生。從事慣性導(dǎo)航與組合導(dǎo)航方法研究;

李瑞豹(1991-),男,河北省邢臺(tái)市人?，F(xiàn)為遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院學(xué)生。長(zhǎng)期從事慣性數(shù)據(jù)處理方法研究。

Research on the Initial Alignment of MEMS INSBased on Wavelet De-Noising*

SUNWei1,2*,DINGWei1,LIRuibao1,YANHuifang1

(1.School of Geomatics,Liaoning Technical University,Fuxin Liaoning 123000,China;2.School of Mechanics and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin Liaoning 123000,China)

According to the low signal noise ratio of present MEMS devices caused by its processing technology,which influence the initial problem of MEMS inertial systems. The coarse alignment by gravity plus geomagnetic information based on wavelet de-noise was proposed in this paper. The structure of MEMS output information was analyzed. The de-noising with different wavelet function and decomposition levels were compared and the wavelet decomposition scheme was designed and used to filter out the inertial devices’ noise effectively. Considering the fact that gravity vector perpendicular to the level of local geographical coordinate system,the vehicle’ss initial horizontal attitudes could be confirmed by the gravity vector’ss level component sensed by accelerometers. Combined with the sole direction feature of geomagnetic information,the initial azimuth angle could be calculated by measuring geomagnetic information and the magnetic declaration angle. Turntable experiment results show that,the gravity and geomagnetic information processed by wavelet de-noise could be used to realize the initial alignment of MEMS.

MEMS;inertial navigation system;wavelet de-noising;initial alignment

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41304032);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(新教師類)(20132121120005);對(duì)地觀測(cè)技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(K201401);江西省數(shù)字國(guó)土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金項(xiàng)目(DLLJ201501);地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(14-01-05)

2015-01-14 修改日期:2015-03-01

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.06.007

TP212

A

1004-1699(2015)06-0814-05