四旋翼姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)是四旋翼的重要組成部分,針對(duì)MEMS姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度不高、受外界干擾影響較大的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低成本的MEMS姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng),重點(diǎn)研究姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)融合問(wèn)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(cè)方程,結(jié)合UKF算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合,以提高姿態(tài)測(cè)量精度。考慮姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下,機(jī)械振動(dòng)較大,外界噪聲干擾對(duì)傳感器影響較大,量測(cè)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(dòng)態(tài)下的平穩(wěn)飛行。最后,采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)整體功能,并對(duì)其性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先,對(duì)國(guó)內(nèi)外姿態(tài)測(cè)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(jìn)行分析與總結(jié),并考慮實(shí)際成本等因素,確定姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的總體方案。本文使用低成本MEMS陀螺儀、加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)構(gòu)成姿態(tài)測(cè)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(shí)現(xiàn)四旋翼姿態(tài)的測(cè)量。其次,對(duì)姿態(tài)解算的過(guò)程進(jìn)行分析,使用四元數(shù)的方法進(jìn)行姿態(tài)解算,實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的全姿態(tài)工作。并分析MEMS傳感器的誤差來(lái)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(duì)傳感器進(jìn)行姿態(tài)... 

【文章來(lái)源】：南京航空航天大學(xué)江蘇省 211工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：74 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

AHRS500GA型姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)

研究的重點(diǎn)內(nèi)容[9]。從上個(gè)世紀(jì)開(kāi)始，國(guó)外的先進(jìn)學(xué)者已經(jīng)意識(shí)到其廣泛的應(yīng)用手進(jìn)行平臺(tái)姿態(tài)測(cè)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(guó)、俄羅斯、法國(guó)、德國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家在測(cè)姿測(cè)量領(lǐng)域，也出現(xiàn)了許多專(zhuān)門(mén)研究姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的公司，如 XSENS 公司、SBG 公司、C[10]。姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法為越來(lái)越多，除了慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)外還出現(xiàn)了衛(wèi)統(tǒng)，基于機(jī)器視覺(jué)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)等，考慮到小型四旋翼姿態(tài)測(cè)量成本等因素，基于 MEMS 的低成本慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。998 年 Crossbow 公司研發(fā)出完全基于 MEMS 器件的慣性測(cè)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(cè)量系示，該姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)使用四元數(shù)的方法進(jìn)行姿態(tài)解算，保證了系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全姿MEMS 陀螺儀加速度計(jì)等傳感器，并用經(jīng)典的卡爾曼濾波（Kalman Filter，KF）對(duì)行融合，該系統(tǒng)在靜態(tài)環(huán)境下測(cè)量精度達(dá) 0.5°，在動(dòng)態(tài)情況下該系統(tǒng)也有較高的測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到航空領(lǐng)域中。2002 年，美國(guó)的 Innalabs 公司推出了一態(tài)測(cè)量系統(tǒng) AHRS-M2 如圖 1.2 所示，該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了磁場(chǎng)校正功能，短時(shí)間會(huì)影響其測(cè)量精度，該系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量精度小于 0.3°，動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)所示，該姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)使用四元數(shù)的方法進(jìn)行姿態(tài)解算，保證了系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全姿態(tài) MEMS 陀螺儀加速度計(jì)等傳感器，并用經(jīng)典的卡爾曼濾波（Kalman Filter，KF）對(duì)傳進(jìn)行融合，該系統(tǒng)在靜態(tài)環(huán)境下測(cè)量精度達(dá) 0.5°，在動(dòng)態(tài)情況下該系統(tǒng)也有較高的測(cè)該測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到航空領(lǐng)域中。2002 年，美國(guó)的 Innalabs 公司推出了一款姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) AHRS-M2 如圖 1.2 所示，該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了磁場(chǎng)校正功能，短時(shí)間的不會(huì)影響其測(cè)量精度，該系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量精度小于 0.3°，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度在 0.4°[11]。圖 1. 1 AHRS500GA 型姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 圖 1. 2 AHRS-M2 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于STM32F407擴(kuò)展卡爾曼軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 董錦旗,郝曉紅.  制造業(yè)自動(dòng)化. 2017(09)
[2]MARG傳感器誤差分析與標(biāo)定方法研究[J]. 梁益豐,許微,曹勇.  艦船電子工程. 2017(09)
[3]基于非線(xiàn)性Kalman濾波的導(dǎo)航系統(tǒng)誤差補(bǔ)償技術(shù)[J]. 沈凱,聶吾希斌K.A.,劉榮忠,普拉列達(dá)爾斯基A.V.,郭銳.  國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào). 2017(02)
[4]基于MAEKF算法的航姿參考系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 王丁偉,祖家奎,黃海.  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2017(02)
[5]基于MPU6050和互補(bǔ)濾波的四旋翼飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 張承岫,李鐵鷹,王耀力.  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2016(07)
[6]基于誤差四元數(shù)的單兵導(dǎo)航系統(tǒng)算法[J]. 于飛,白紅美,葉攀,高偉,趙博.  傳感器與微系統(tǒng). 2015(09)
[7]基于無(wú)跡卡爾曼濾波的四旋翼無(wú)人飛行器姿態(tài)估計(jì)算法[J]. 朱巖,付巍.  測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào). 2014(03)
[8]基于STM32的無(wú)人機(jī)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 劉輝邦,褚金奎,支煒,李曉雨.  傳感器與微系統(tǒng). 2013(08)
[9]改進(jìn)的Sage-Husa濾波在精確空投組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 牛振中,李歲勞,王青青,任鴻飛.  科學(xué)技術(shù)與工程. 2012(25)
[10]航姿參考系統(tǒng)三軸磁強(qiáng)計(jì)校正的點(diǎn)積不變法[J]. 李翔,李智.  儀器儀表學(xué)報(bào). 2012(08)

碩士論文
[1]微型航姿參考系統(tǒng)的磁標(biāo)定和誤差補(bǔ)償方法研究[D]. 費(fèi)潔.上海交通大學(xué) 2014
[2]MIMU/磁強(qiáng)計(jì)航姿參考系統(tǒng)研究[D]. 盛慶軒.國(guó)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(hào)：3317283