基于小波降噪的MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)對準方法研究*

孫 偉,丁 偉,李瑞豹,閆慧芳

(1.遼寧工程技術(shù)大學測繪與地理科學學院,遼寧 阜新 123000;2.遼寧工程技術(shù)大學力學與工程學院,遼寧 阜新 123000)

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基于小波降噪的MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)對準方法研究*

孫 偉1,2*,丁 偉1,李瑞豹1,閆慧芳1

(1.遼寧工程技術(shù)大學測繪與地理科學學院,遼寧 阜新 123000;2.遼寧工程技術(shù)大學力學與工程學院,遼寧 阜新 123000)

針對當前MEMS器件受加工工藝限制導(dǎo)致器件輸出信噪比低,進而影響MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)初始化的問題,提出一種采用小波降噪的“重力+地磁”信息粗對準方法。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)計小波分解方案并實現(xiàn)慣性器件噪聲的有效濾除;根據(jù)重力矢量垂直當?shù)氐乩碜鴺讼邓矫娴奶卣?利用加速度計敏感重力矢量水平分量實現(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,通過測量載體所在位置處的地磁信息并結(jié)合磁偏角修正實現(xiàn)載體初始方位角的求取。轉(zhuǎn)臺實驗結(jié)果表明,經(jīng)過小波降噪處理后得到的重力與地磁信息可實現(xiàn)MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準。

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

基于微機電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)點在個人定位、無人機導(dǎo)航領(lǐng)域得到應(yīng)用[1-4]。作為慣導(dǎo)解算的基礎(chǔ),初始對準的精度和速度直接制約著MEMS器件對于響應(yīng)速度和準確度有更高要求領(lǐng)域內(nèi)的擴展[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),同時也是完成初始對準的核心信息源。受國外導(dǎo)航級MEMS器件出口限制以及目前國內(nèi)加工工藝水平的影響,當前基于MEMS技術(shù)的陀螺儀還存在信噪比低、漂移大等缺點,導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)角速率信息容易淹沒在陀螺噪聲中,直接影響慣導(dǎo)系統(tǒng)方位對準的可行性[7]。國內(nèi)外學者圍繞數(shù)字濾波器的低通高阻特性展開了相應(yīng)的研究工作并實現(xiàn)對MEMS慣性器件輸出數(shù)據(jù)的降噪處理,但數(shù)字降噪過程中存在時間延遲和高階模型降低了慣導(dǎo)系統(tǒng)的實時反應(yīng)能力[8-10]。通過考慮地球磁場具有指向的特性,結(jié)合MEMS加速度計和磁力計具有零偏小、性能穩(wěn)定的優(yōu)勢,提出一種基于小波分解的MEMS加速度計和磁力計輸出信息降噪方法,實現(xiàn)基于“重力+地磁”的慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準。

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),通過對給定的信號加大小可變的時頻窗口將信號展開成不同尺度下的小波序列,從而達到有效分離噪聲的目的[11-12]。MEMS慣性器件輸出信號表現(xiàn)為非平穩(wěn)信號,其中包含的隨機噪聲一般表現(xiàn)為高頻分量,有用信息大多集中在低頻范圍內(nèi),但載體運動過程具有隨機性導(dǎo)致有用信息將會分布在各個頻率段。此時,傳統(tǒng)Fourier分析方法由于無法有效區(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)自動調(diào)節(jié)時頻窗口的大小和形狀以適應(yīng)實際分析的需要。具體執(zhí)行過程如下:

①信號分解,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)過一次小波分解后變?yōu)閮山M數(shù)據(jù),分別為經(jīng)過低通濾波器得到的低頻分量(近似系數(shù))和經(jīng)過高通濾波器得到的高頻分量(細節(jié)系數(shù))。從第2次分解開始,以后每次分解只對低頻分量繼續(xù)進行(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)和細節(jié)系數(shù)。

(1)

(2)

2 地磁信息輔助的MEMS粗對準

慣導(dǎo)系統(tǒng)進入導(dǎo)航工作狀態(tài)之前進行的初始對準是為慣導(dǎo)解算提供初始姿態(tài)矩陣,而初始對準精度直接制約著導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)的粗對準過程包括水平對準和方位對準兩部分[13-14]。

2.1 水平姿態(tài)角的確定

傳統(tǒng)的方位自對準是依據(jù)陀螺儀敏感地球自轉(zhuǎn)角速度北向分量實現(xiàn)方位角的計算,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)角速度信息淹沒在器件噪聲中,為了實現(xiàn)MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準,提出了方位角置零的假設(shè)并實現(xiàn)水平姿態(tài)的確定。

重力矢量的方向平行于導(dǎo)航坐標系(n系)天向軸,MEMS加速度計用于敏感載體坐標系(b系)3個方向的加速度變化。當載體相對導(dǎo)航坐標系夾角不為零時,水平加速度計輸出中將會敏感重力矢量在載體坐標系的水平分量,通過計算水平分量與當?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準

(4)

磁力計輸出mb在地磁場導(dǎo)航坐標系可表示為:

(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°,因此可得到載體實際磁方位角ψm的計算結(jié)果:

(7)

磁極始終處于運動狀態(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)緯度和時間有關(guān),載體所在位置處的磁偏角可通過軟件計算求取。定義磁北在真北西側(cè)時δ取正,反之取負。

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,實現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)方位對準:

ψ=ψm+δ

(8)

圖2 磁北與真北幾何示意圖

3 實驗結(jié)果及分析

采用實驗室現(xiàn)有MEMS慣性測量單元和三軸高精度慣性測試轉(zhuǎn)臺建立實驗環(huán)境(如圖3),分別開展慣性器件降噪實驗和粗對準實驗。將安裝MEMS慣性測量單元的轉(zhuǎn)臺歸零后保持靜止,通電預(yù)熱5 min后開始采集數(shù)據(jù),每次采集2 min,共采50組。其中,MEMS慣性測量單元中的加速度計和磁力計性能指標如表1所示。

圖3 慣性測量單元與測試轉(zhuǎn)臺

加速度計磁力計測量范圍±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 慣性器件降噪實驗

對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x軸加速度計輸出進行降噪處理為例,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軸加速度計采用db8小波函數(shù)且分解層數(shù)為6時信噪比增益最大,此時降噪效果最好。按照同樣方法對其余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比曲線

對采集的加速度和地磁強度數(shù)據(jù)按實驗過程設(shè)計的小波降噪方法進行降噪處理。為驗證小波降噪對于改善MEMS慣性器件輸出降噪效果的優(yōu)勢,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)果進行統(tǒng)一對比(如圖4)。

通過對圖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現(xiàn)對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。但是通過對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信息都存在一段時間的收斂過程,這在一定程度上影響了慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準快速性的要求。采用小波降噪方案得到的曲線不存在收斂過程,在保證濾波效果的同時又可以保證慣導(dǎo)系統(tǒng)對準過程的快速性。

圖5 對準姿態(tài)角誤差

3.2 粗對準實驗

為驗證實驗方案的可行性,提取小波降噪后的加速度和地磁信息進行50次粗對準實驗并對實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析。利用軟件求取轉(zhuǎn)臺所在位置處的磁偏角為-8°37′,將慣性測試轉(zhuǎn)臺提供的姿態(tài)角作為參考基準,得到對準結(jié)束后的姿態(tài)角誤差曲線如圖5所示。

結(jié)合對圖5的分析可以看出,50次粗對準實驗過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。為進一步觀察粗對準方法的可行性和穩(wěn)定性,對3個姿態(tài)角誤差分別求取均值和標準差(如表4),可看出3個姿態(tài)角誤差均值優(yōu)于51.3角分,滿足慣導(dǎo)系統(tǒng)精對準過程對于粗對準后姿態(tài)誤差小于1度的要求,該實驗結(jié)果可以為MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)開展精對準提供保障。

表4 姿態(tài)角均值與標準差

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,通過選取最佳小波基函數(shù)和分解層數(shù)實現(xiàn)最佳降噪模型的建立,將處理后的加速度和磁力信息實現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)粗對準。實驗結(jié)果表明,粗對準結(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,該對準結(jié)果可以滿足慣導(dǎo)系統(tǒng)精對準要求,此外,論文提出的粗對準過程時間短,可以滿足慣導(dǎo)系統(tǒng)的快速性要求,為MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)精對準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。中國宇航學會會員,中國慣性技術(shù)協(xié)會會員;2007年于哈爾濱工程大學獲得學士學位,2011年于哈爾濱工程大學獲得博士學位。主持國家級、省部級科研項目8項;發(fā)表學術(shù)論文40余篇。長期從事慣性導(dǎo)航技術(shù)研究,sunwei-3775235@163.com;

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

李瑞豹(1991-),男,河北省邢臺市人?，F(xiàn)為遼寧工程技術(shù)大學測繪與地理科學學院學生。長期從事慣性數(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

項目來源:國家自然科學基金項目(41304032);高等學校博士學科點專項科研基金(新教師類)(20132121120005);對地觀測技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金項目(K201401);江西省數(shù)字國土重點實驗室開放研究基金項目(DLLJ201501);地球空間環(huán)境與大地測量教育部重點實驗室開放基金項目(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