低成本微惯性导航系统：基于MEMS的高性能设计与精度分析

本文档主要探讨了基于微机电系统(MEMS)器件的低成本微惯性导航系统的详细设计。系统核心采用ADuC842单片机，结合了ADXR150三轴陀螺和ADXL103/ADXL203组成的三轴加速度计，利用"四元数"算法进行姿态计算。系统通过比力变换和积分运算来确定载体的速度和位置。 在硬件设计方面，系统包括以下组件： 1. 微惯性传感器模块：选择了ADI公司的高性能、低成本的MEMS陀螺和加速度计，如ADXRS150陀螺传感器用于角速度测量，ADXL103和ADXL203加速度传感器用于线加速度检测。这些传感器采用微机械技术，具有良好的性价比。 2. 信号调理模块：针对传感器信号的特点，设计了信号放大和低通滤波处理电路，使用高精度、无漂移的运算放大器确保信号质量。考虑到陀螺的漂移问题，通过设置工作带宽为40Hz并增加低通滤波器来抑制干扰噪声。 3. 信号采集处理与传输模块：采用16位高精度ADC ADS8344进行信号采集，其采样率灵活可调，最高可达100kHz。单片机ADuC842的选择不仅提供了足够的运算速度，还支持与传感器的高效通信，通过SPI接口实现数据交互。 实验结果显示，该系统在静态条件下15秒内，姿态误差达到1.2°，速度误差为4.5 m/s，位置误差为33 m。尽管系统初期精度较高，但存在较快的发散性，因此对于长时间导航需求，需要与GPS等其他导航系统配合使用，以提高长期定位的准确性。这样的设计不仅降低了系统成本，还显著减小了体积，使得它在普通导航领域有着广泛的应用前景。 本研究设计的低成本微惯性导航系统利用MEMS技术实现了精确的位置和姿态跟踪，为用户提供了一种经济高效的导航解决方案，适用于需要低成本和小型化的应用场景。