[发明专利]一种基于归一化LMS算法的MEMS陀螺仪在线降噪方法

说明书

本发明属于导航系统领域，公开了一种基于归一化LMS算法的MEMS陀螺仪在线降噪方法，包含如下步骤：步骤(1)：设计收敛速度更快的归一化LMS算法；步骤(2)：推导收敛因子与瞬时平方误差的关系，确定收敛因子的值，并在归一化LMS算法的更新方程中引入固定收敛因子控制失调量，引入参数α控制步长；步骤(3)：确定α的值和固定收敛因子的范围。本发明解决了MEMS陀螺仪实时输出值的期望不可预知的问题，实现陀螺仪信号的在线降噪；能够提高低成本捷联惯导系统MEMS陀螺仪输出角运动信息的准确性，降噪效果好，实时性高，计算量减少。

技术领域

本发明属于导航系统领域，尤其涉及一种基于归一化LMS算法的MEMS陀螺仪在线降噪方法。

背景技术

惯性测量元件直接装在飞行器、舰艇、导弹等需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术。现代电子计算机技术的迅速发展为捷联式惯性导航系统创造了条件。自50年代末人们开始研究这种新型导航系统以来，它已成功地用于导引航天器再入大气层的飞行。捷联式惯性导航系统在美国“阿波罗”号飞船上作为备用系统曾发挥了作用。

捷联式惯性导航系统在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏，是一种自主式导航系统。捷联式惯性导航系统与平台式惯性导航系统比较有两个主要的区别：(1)省去了惯性平台，陀螺仪和加速度计直接安装在飞行器上，使系统体积小、重量轻、成本低、维护方便。但陀螺仪和加速度计直接承受飞行器的振动、冲击和角运动，因而会产生附加的动态误差。这对陀螺仪和加速度计就有更高的要求。(2)需要用计算机对加速度计测得的飞行器加速度信号进行坐标变换，再进行导航计算得出需要的导航参数航向、地速、航行距离和地理位置等。这种系统需要进行坐标变换，而且必须进行实时计算，因而要求计算机具有很高的运算速度和较大的容量。

随着低成本捷联惯性导航应用领域的拓展和应用需求的提高，捷联惯性导航系统对MEMS陀螺仪的精度要求越来越高。陀螺仪是捷联惯性导航系统的重要敏感元件，它输出载体坐标系相对惯性坐标系的角运动信息，陀螺仪的测量精度对惯性导航系统的定位精度有着直接的影响。因MEMS自身独特的构造原理及其安装环境的干扰导致MEMS陀螺仪输出的噪声较大，对捷联惯性导航系统的工作性能存在一定影响，因此有必要对MEMS陀螺仪的噪声进行抑制。

目前，学者们正努力寻求有效的数据在线降噪方法。文献《数字滤波器在微机械陀螺系统中的应用》，传感器与微系统,2003,22(9):56-57使用传统数字滤波器能够滤除信号中高频噪声部分，然而对于非平稳以及带宽较窄的信号，传统的数字滤波器存在不足和局限性；文献《MEMS传感器随机误差Allan方差分析》，仪器仪表学报,2011,32(12):2863-2868提出采用Allan方差的方法确定MEMS陀螺仪的随机噪声种类及其来源和特性，用曲线拟合求出各项误差系数，然后利用卡尔曼滤波在线降噪技术，能够有效地抑制白噪声或有色噪声，但由于滤波限制条件比较苛刻，数据的先验统计特性要准确已知，因此其存在一定的局限性。文献《一种实时小波降噪算法》，仪器仪表学报,2004,25(6):781-783利用区间小波降噪算法，构造出实时小波降噪算法，其降噪效果较好，然而该方法实时性不强并且计算量较大，因此该方法并不适用于惯性导航系统。

发明内容

本发明的目的在于公开收敛速度快，输出噪声小的一种基于归一化LMS算法的MEMS陀螺仪在线降噪方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于归一化LMS算法的MEMS陀螺仪在线降噪方法，包含如下步骤：

步骤(1)：设计收敛速度更快的归一化LMS算法：将陀螺仪输出信号作为自适应滤波器的输入向量x(k)，将陀螺仪当前采样值作为自适应滤波器的期望信号y(k)，通过归一化LMS算法的更新方程更新收敛因子μ_k和系数向量w(k)，最后输出系数向量与输入向量的乘积y′(k)。