四旋翼姿態(tài)測量系統(tǒng)是四旋翼的重要組成部分,針對MEMS姿態(tài)測量系統(tǒng)測量精度不高、受外界干擾影響較大的問題,本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個低成本的MEMS姿態(tài)測量系統(tǒng),重點研究姿態(tài)測量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)融合問題。使用誤差四元數(shù)的方法構(gòu)建系統(tǒng)狀態(tài)方程和量測方程,結(jié)合UKF算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合,以提高姿態(tài)測量精度�？紤]姿態(tài)測量系統(tǒng)高動態(tài)環(huán)境下,機械振動較大,外界噪聲干擾對傳感器影響較大,量測噪聲具有未知且變換較大的特性,提出了一種自適應(yīng)濾波算法,自適應(yīng)調(diào)節(jié)噪聲協(xié)方差矩陣,保證四旋翼在高動態(tài)下的平穩(wěn)飛行。最后,采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)姿態(tài)測量系統(tǒng)整體功能,并對其性能進行實驗驗證。首先,對國內(nèi)外姿態(tài)測量系統(tǒng)發(fā)展情況以及數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算方法進行分析與總結(jié),并考慮實際成本等因素,確定姿態(tài)測量系統(tǒng)的總體方案。本文使用低成本MEMS陀螺儀、加速度計和磁強計構(gòu)成姿態(tài)測量系統(tǒng)的主要傳感器,并結(jié)合數(shù)據(jù)融合以及姿態(tài)解算方法實現(xiàn)四旋翼姿態(tài)的測量。其次,對姿態(tài)解算的過程進行分析,使用四元數(shù)的方法進行姿態(tài)解算,實現(xiàn)姿態(tài)測量系統(tǒng)的全姿態(tài)工作。并分析MEMS傳感器的誤差來源,以方便建立較為準(zhǔn)確的傳感器模型,在四元數(shù)的基礎(chǔ)上,對傳感器進行姿態(tài)... 

【文章來源】：南京航空航天大學(xué)江蘇省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

AHRS500GA型姿態(tài)測量系統(tǒng)

研究的重點內(nèi)容[9]。從上個世紀(jì)開始，國外的先進學(xué)者已經(jīng)意識到其廣泛的應(yīng)用手進行平臺姿態(tài)測量系統(tǒng)的研究。近幾十年，微型傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)、等方面的迅速發(fā)展，美國、俄羅斯、法國、德國等西方發(fā)達(dá)國家在測姿測量領(lǐng)域，也出現(xiàn)了許多專門研究姿態(tài)測量系統(tǒng)的公司，如 XSENS 公司、SBG 公司、C[10]。姿態(tài)測量系統(tǒng)的測量方法為越來越多，除了慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)外還出現(xiàn)了衛(wèi)統(tǒng)，基于機器視覺的姿態(tài)測量系統(tǒng)等，考慮到小型四旋翼姿態(tài)測量成本等因素，基于 MEMS 的低成本慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)。998 年 Crossbow 公司研發(fā)出完全基于 MEMS 器件的慣性測量單元，為慣性器件在中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。其中，Crossbow 公司研發(fā)的 AHRS500GA 型姿態(tài)測量系示，該姿態(tài)測量系統(tǒng)使用四元數(shù)的方法進行姿態(tài)解算，保證了系統(tǒng)可以實現(xiàn)全姿MEMS 陀螺儀加速度計等傳感器，并用經(jīng)典的卡爾曼濾波（Kalman Filter，KF）對行融合，該系統(tǒng)在靜態(tài)環(huán)境下測量精度達(dá) 0.5°，在動態(tài)情況下該系統(tǒng)也有較高的測量系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到航空領(lǐng)域中。2002 年，美國的 Innalabs 公司推出了一態(tài)測量系統(tǒng) AHRS-M2 如圖 1.2 所示，該測量系統(tǒng)進行了磁場校正功能，短時間會影響其測量精度，該系統(tǒng)靜態(tài)測量精度小于 0.3°，動態(tài)測量精度在 0.4°[11]。

1998 年 Crossbow 公司研發(fā)出完全基于 MEMS 器件的慣性測量單元，為慣性器件在姿統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。其中，Crossbow 公司研發(fā)的 AHRS500GA 型姿態(tài)測量系統(tǒng)所示，該姿態(tài)測量系統(tǒng)使用四元數(shù)的方法進行姿態(tài)解算，保證了系統(tǒng)可以實現(xiàn)全姿態(tài) MEMS 陀螺儀加速度計等傳感器，并用經(jīng)典的卡爾曼濾波（Kalman Filter，KF）對傳進行融合，該系統(tǒng)在靜態(tài)環(huán)境下測量精度達(dá) 0.5°，在動態(tài)情況下該系統(tǒng)也有較高的測該測量系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到航空領(lǐng)域中。2002 年，美國的 Innalabs 公司推出了一款姿態(tài)測量系統(tǒng) AHRS-M2 如圖 1.2 所示，該測量系統(tǒng)進行了磁場校正功能，短時間的不會影響其測量精度，該系統(tǒng)靜態(tài)測量精度小于 0.3°，動態(tài)測量精度在 0.4°[11]。圖 1. 1 AHRS500GA 型姿態(tài)測量系統(tǒng) 圖 1. 2 AHRS-M2 姿態(tài)測量系統(tǒng)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]微型航姿參考系統(tǒng)的磁標(biāo)定和誤差補償方法研究[D]. 費潔.上海交通大學(xué) 2014
[2]MIMU/磁強計航姿參考系統(tǒng)研究[D]. 盛慶軒.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2009
[3]基于MEMS的微小型嵌入式航姿參考系統(tǒng)研究[D]. 陳宇捷.上海交通大學(xué) 2009



本文編號：3317283