عنوان پایان‌نامه
طراحی و تحلیل خطای سیستم های ناوبری اینرسی ممز با رویکرد ترکیب اطلاعات
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-کنترل
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2974;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 75549
- تاریخ دفاع
- ۳۰ مرداد ۱۳۹۵
- دانشجو
- مهدی جعفری
- استاد راهنما
- بهزاد مشیری, تورج عباسیان نجف آبادی
- چکیده
- استفاده از واحد اندازه‌گیری اینرسی با حسگرهای افزونهِ کج یا SRIMU راه‌حل پیشنهادی بسیاری از تحقیقات برای کاهش خطای ناوبری در سیستم‌های ناوبری بندشده بوده‌است. در این رساله به مدل‌سازی، پیمایش و تحلیل اثر اجزای خطای حسگرهای اینرسی در SRIMUهای بر اساس حسگرهای MEMS، پرداخته شده است. با در نظر گرفتن یک مدل دینامیکی برای نویز ناپایداری بایاس و گام تصادفی، به کمک روش شناسایی فضای حالت حداقل‌سازی خطای پیش‌بین (PEM)، نویز خروجی حسگرها مدل شده است. همچنین با کمک یک میز دودرجه‌آزادی و بر اساس فیلتر کالمن (KF) یک روش نوین پیمایش برای این IMUها ارائه‌شده که نسبت به روش سنتی حداقل مربعات (LS) خطای ناوبری کمتری ایجاد می‌کند. خطاهای اولیه ناوبری، خطای بایاس، فاکتور نسبت و ناهم‌محوری باقیمانده بعد از پیمایش، اثر نویز گام تصادفی و ناپایداری بایاس حسگرهای IMU، عمده خطاهایی هستند که خروجی معادلات ناوبری اینرسی را با خطا همراه می‌کنند. در این رساله به کمک مدل ارائه شده در بخش اول، به بررسی تحلیلی اثر هریک از این اجزاء خطا در خروجی ناوبری اینرسی در دو حالت ساکن و در حال مانور بودن خودرو، برای ساختار IMU و SRIMU پرداخته شده‌است. نشان داده شده‌است که اگر معادلات ناوبری در دستگاه NED محلی بجای دستگاه متداول NED چسبیده به خودرو نوشته شوند، می‌توان از لزوم انجام بسیاری از ساده‌سازی‌ها، مجزا‌کردن کانال‌های معادلات خطا و نیز حذف جملات خطای مرتبط با اثرات برخی نوسانات اجتناب کرد. در دستگاه NED محلی برای یک وسیله متحرک با شرایط دینامیکی مشخص، معادلات خطی‌شده و متغیربازمان خطای ناوبری بصورت تحلیلی حل شده‌است. برای یافتن حل تحلیلی معادلات برای ورودی‌های تصادفی از تحلیل کوواریانس بهره‌گرفته‌شده‌است. در هردو حالت سکون و مانور تحلیل ارائه‌شده با کمک شبیه‌سازی مونت‌کارلو صحه‌گذاری گردید. در انتها ضمن جمع‌بندی نتایج در قالبی ملموس، به مقایسه تحلیلی اثر هریک از عوامل خطای ورودی، نوع ساختار IMU و نوع حسگرهای موجود در آن پرداخته شده‌است. همچنین بودجه‌بندی عوامل خطا و بررسی اثر اضافه‌کردن حسگرهای اضافی در ساختارهای افزونهِ کج برای کاهش خطای ناوبری نسبت به ساختار معمول IMUها در سیستم‌های ناوبری اینرسی بندشده موضوع مهم دیگری است که به‌طور دقیق مطالعه شده‌است. کلمات کلیدی: سیستم‌های ناوبری اینرسی بندشده، سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS)، واحد‌های اندازه‌گیری اینرسی با حسگرهای افزونهِ کج (SRIMU)، مدل‌سازی تصادفی، پیمایش، تحلیل خطا، دستگاه ناوبری شمال-شرق-پایین محلی (LNED)
- Abstract
- The use of inertial measurement unit with skew redundant sensors or SRIMU is the proposed solution of many of researches to attenuate navigation error in strapdown navigation systems. In this thesis modeling, calibration and analysis of effect of inertial sensor error parts in SRIMUs based on MEMS sensors are investigated. Regarding a dynamic model for bias instability and random walk noise, and using the state space identification method of Predictive Error Minimization (PEM), the output noise of the inertial sensors is modeled. Also, using a two degree of freedom turntable and based on the Kalman Filter (KF), a novel calibration method for such IMUs is proposed which results in less navigation error beside the conventional method of Least Squares (LS). the navigation initial errors, bias, scale factor and misalignment residual errors after the calibration process and the random walk and bias instability noise of inertial sensors, are the most effective errors on the inertial navigation equations output. In this thesis using the model proposed in the first part, the effect of each of the error parts on the inertial navigation output for a static and maneuverer vehicle, for IMU and SRIMU stractures are dealed. It is exhibited that, in solving of the navigation error equations, if the navigation equations are writed in the Local North-East-Down (LNED) frame, instead of the conventional vehicle carried North-East-Down (NED) coordinate System, the necessity for many of simplifications, decoupling of error equation channels and deleting of error terms related to effect of some of the oscillations, will be avoided. The linearized and time varing navigation error equations are analytically solved in LNED frame for a maneuverer vehicle with a specific dynamic conditions. The covariance analysis is used to find the analytical solution of equations for stochastic inputs. The proposed analysis is ratified in both static and maneuver modes using the Mote-Carlo simulations. At last, besides adding up the results in a concrete form, the effects of each of the input errors are compared. Also, the effect of the IMU’s stracture and the sensors’ type and budget of error parts are investigated using the derived analytical solutions. Furthermore, the effect of adding of redundant sensors in skew redundant IMU structures campared with the convetional IMU stracture in attenuating the navigation error in strapdown inertial navigation systems are studied. Keywords: strapdown inertial navigation systems, Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS), Skew Redundant Inertial Measurement Unit (SRIMU), stochastic modeling, calibration, error analysis, Local North-East-Down (LNED) coordinate System
