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基于MEMS传感器的嵌入式捷关惯性测量单元及其应用研究
| 论文题名： | 基于MEMS传感器的嵌入式捷关惯性测量单元及其应用研究 |
| 关键词： | 列车轨道测量;几何参数;惯性测量单元;系统设计;MEMS传感器 |
| 摘要： | 轨道几何参数是影响列车运行质量的关键因素之一，为此世界各国均十分重视轨道几何参数检测技术和设备的开发。轨道几何参数检测的关键技术之一是获取测量基准。本文针对轨道几何参数测量基准的建立这一课题展开研究，在对比、分析多种基准建立方法后，提出了基于MEMS传感器的惯性测量单元的基准测量方案。 论文首先深入研究了捷联惯性测量的基本原理，在此基础上建立了捷联惯性基准的数学模型。为方便捷联惯性解算算法的验证，通过捷联惯性解算的逆向过程，在特定假设下推导出了载体理论运动轨迹、姿态以及载体坐标系上固联的传感器的理想输出值。 为选择合适的姿态解算算法，论文在不同强度的随机噪声干扰下，对比了四阶龙格库塔法、四阶阿当姆斯法和四阶海明法在圆锥运动下的姿态解算效果，结果表明，在干扰很小的情况下，四阶龙格库塔法的算法精度远不及后两者，而在干扰较大的情况下前者表现更优，海明算法表现最差。 利用载体运动仿真实验获得的传感器理论输出值进行了基于四阶龙格库塔算法的捷联惯性解算数值仿真实验，结果显示，解算得出的曲线与理想曲线重合度极高，从原理上证明了算法具有可行性。 针对列车运行速度较低、运动受地面轨道约束以及MEMS传感器精度不高的特点，论文把地面近似为惯性空间，对完整的捷联惯性解算算法进行了合理、适度地简化。对简化算法进行了数值仿真实验，结果表明，在短时间内简化算法仍然具有较高的精度，长时间后解算精度则显著变差。 论文设计了以高性能ARM9内核微控制器LPC3250为核心的嵌入式硬件系统，针对硬件系统设计了基于四阶龙格库塔算法的C语言程序。为便于初值和传感器零偏设置、解算结果显示、以及历史解算数据记录，设计了上位机应用程序。软硬件调试完成后，系统可获得最高512Hz的解算频率和128Hz的上传频率。 最后，在实验室现有条件下对系统进行了尽可能的校准和测试。测试结果表明:本文所提简化算法有比完整算法更低的解算误差漂移速度，本文设计和研制的嵌入式捷联惯性测量单元在短时间内可以以较高的精度动态跟踪当地水平基准面，长时间后精度则急剧下降。 |
| 作者： | 吴远星 |
| 专业： | 测试计量技术及仪器 |
| 导师： | 王雪梅 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西南交通大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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