[發明專利]一種基于歸一化LMS算法的MEMS陀螺儀在線降噪方法

在審

• 申請號: 201810779491.2
• 申請日: 2018-07-16
• 公開（公告）號: CN108801252A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 黃衛權;王剛;程建華;李景旺;丁繼成;李亮;馬俊;李夢浩;崔雅;車灃竺
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18;G01C25/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于導航系統領域，公開了一種基于歸一化LMS算法的MEMS陀螺儀在線降噪方法，包含如下步驟：步驟(1)：設計收斂速度更快的歸一化LMS算法；步驟(2)：推導收斂因子與瞬時平方誤差的關系，確定收斂因子的值，并在歸一化LMS算法的更新方程中引入固定收斂因子控制失調量，引入參數α控制步長；步驟(3)：確定α的值和固定收斂因子的范圍。本發明解決了MEMS陀螺儀實時輸出值的期望不可預知的問題，實現陀螺儀信號的在線降噪；能夠提高低成本捷聯慣導系統MEMS陀螺儀輸出角運動信息的準確性，降噪效果好，實時性高，計算量減少。

技術領域

本發明屬于導航系統領域，尤其涉及一種基于歸一化LMS算法的MEMS陀螺儀在線降噪方法。

背景技術

慣性測量元件直接裝在飛行器、艦艇、導彈等需要諸如姿態、速度、航向等導航信息的主體上，用計算機把測量信號變換為導航參數的一種導航技術。現代電子計算機技術的迅速發展為捷聯式慣性導航系統創造了條件。自50年代末人們開始研究這種新型導航系統以來，它已成功地用于導引航天器再入大氣層的飛行。捷聯式慣性導航系統在美國“阿波羅”號飛船上作為備用系統曾發揮了作用。

捷聯式慣性導航系統在工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾破壞，是一種自主式導航系統。捷聯式慣性導航系統與平臺式慣性導航系統比較有兩個主要的區別：(1)省去了慣性平臺，陀螺儀和加速度計直接安裝在飛行器上，使系統體積小、重量輕、成本低、維護方便。但陀螺儀和加速度計直接承受飛行器的振動、沖擊和角運動，因而會產生附加的動態誤差。這對陀螺儀和加速度計就有更高的要求。(2)需要用計算機對加速度計測得的飛行器加速度信號進行坐標變換，再進行導航計算得出需要的導航參數航向、地速、航行距離和地理位置等。這種系統需要進行坐標變換，而且必須進行實時計算，因而要求計算機具有很高的運算速度和較大的容量。

隨著低成本捷聯慣性導航應用領域的拓展和應用需求的提高，捷聯慣性導航系統對MEMS陀螺儀的精度要求越來越高。陀螺儀是捷聯慣性導航系統的重要敏感元件，它輸出載體坐標系相對慣性坐標系的角運動信息，陀螺儀的測量精度對慣性導航系統的定位精度有著直接的影響。因MEMS自身獨特的構造原理及其安裝環境的干擾導致MEMS陀螺儀輸出的噪聲較大，對捷聯慣性導航系統的工作性能存在一定影響，因此有必要對MEMS陀螺儀的噪聲進行抑制。

目前，學者們正努力尋求有效的數據在線降噪方法。文獻《數字濾波器在微機械陀螺系統中的應用》，傳感器與微系統,2003,22(9):56-57使用傳統數字濾波器能夠濾除信號中高頻噪聲部分，然而對于非平穩以及帶寬較窄的信號，傳統的數字濾波器存在不足和局限性；文獻《MEMS傳感器隨機誤差Allan方差分析》，儀器儀表學報,2011,32(12):2863-2868提出采用Allan方差的方法確定MEMS陀螺儀的隨機噪聲種類及其來源和特性，用曲線擬合求出各項誤差系數，然后利用卡爾曼濾波在線降噪技術，能夠有效地抑制白噪聲或有色噪聲，但由于濾波限制條件比較苛刻，數據的先驗統計特性要準確已知，因此其存在一定的局限性。文獻《一種實時小波降噪算法》，儀器儀表學報,2004,25(6):781-783利用區間小波降噪算法，構造出實時小波降噪算法，其降噪效果較好，然而該方法實時性不強并且計算量較大，因此該方法并不適用于慣性導航系統。

發明內容

本發明的目的在于公開收斂速度快，輸出噪聲小的一種基于歸一化LMS算法的MEMS陀螺儀在線降噪方法。

本發明的目的是這樣實現的：

一種基于歸一化LMS算法的MEMS陀螺儀在線降噪方法，包含如下步驟：

步驟(1)：設計收斂速度更快的歸一化LMS算法：將陀螺儀輸出信號作為自適應濾波器的輸入向量x(k)，將陀螺儀當前采樣值作為自適應濾波器的期望信號y(k)，通過歸一化LMS算法的更新方程更新收斂因子μ_k和系數向量w(k)，最后輸出系數向量與輸入向量的乘積y′(k)。