近年來,無人機(jī)的發(fā)展越來越趨向于小型化、智能化、集成化,在各個(gè)領(lǐng)域都得到了普遍應(yīng)用。當(dāng)小型無人機(jī)在空中飛行時(shí),由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),受氣流和風(fēng)速的影響較大。航向測量系統(tǒng)作為無人機(jī)導(dǎo)航參數(shù)信息的主要來源,是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)飛行的基礎(chǔ)構(gòu)成部分。根據(jù)小型無人機(jī)的特點(diǎn)以及對航向測量系統(tǒng)的需求,本課題開展對小型無人機(jī)的航向測量系統(tǒng)的研究�，F(xiàn)階段,小型無人機(jī)難以采用造價(jià)昂貴、體積龐大的高精度慣導(dǎo)設(shè)備,而滿足小型無人機(jī)要求的MEMS慣性器件不能自主尋北并且很難達(dá)到理想的精度要求。為了解決以上問題,本課題利用地磁場進(jìn)行磁航向測量。使用磁阻傳感器HMC1053進(jìn)行磁場測量,利用陀螺儀和加速計(jì)組件MPU6050進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償。為降低姿態(tài)角誤差對磁航向測量精度的影響,本課題提出了基于數(shù)字仿真和靜態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合的互補(bǔ)濾波參數(shù)優(yōu)化方法,提高了基于陀螺儀和加速計(jì)互補(bǔ)濾波的姿態(tài)角測量精度。針對磁傳感器在實(shí)際工作環(huán)境中易受到傳感器自身及外部磁場環(huán)境干擾,導(dǎo)致磁航向角的測量精度降低的問題,本課題提出了基于橢球擬合自校準(zhǔn)和衛(wèi)星測向信息融合的磁航向誤差聯(lián)合校準(zhǔn)方法,一方面采用橢球擬合算法對磁傳感器自身輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn),另一方面利用衛(wèi)星... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：97 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

載體

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-11-bnRQQ（2-2）式中R矩陣即為方向余弦矩陣。為方便理解，根據(jù)載體的飛行狀態(tài)，這里先對導(dǎo)航坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到載體坐標(biāo)系的方向余弦矩陣進(jìn)行推導(dǎo)。由姿態(tài)角與航向角的定義可得，小型無人機(jī)每次繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的順序是固定的，旋轉(zhuǎn)過程依次為航向角、俯仰角、橫滾角。在本文默認(rèn)的導(dǎo)航坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系下，從導(dǎo)航坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到載體坐標(biāo)系，總共要經(jīng)過三次轉(zhuǎn)動(dòng)，依次為繞Z軸、X軸、Y軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。每次旋轉(zhuǎn)都能夠用一個(gè)3×3的方向余弦矩陣來描述。設(shè)有直角坐標(biāo)系OXYZ內(nèi)的一點(diǎn)P，坐標(biāo)為zyx),,(，對應(yīng)在XOY平面、XOZ平面和YOZ平面上的投影為yxM)0,,(、zxQ),0,(、zyN),,0(。假設(shè)坐標(biāo)系OXYZ繞Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)動(dòng)后的坐標(biāo)系為OX′Y′Z′。由于轉(zhuǎn)動(dòng)是圍繞Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的，因此轉(zhuǎn)換前后兩點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)不變，轉(zhuǎn)動(dòng)過程可直接簡化為在XOY平面內(nèi)的計(jì)算。如圖2-2所示，其中點(diǎn)M分別向X軸和X′軸上的投影為點(diǎn)xM與點(diǎn)x"M。圖2-2旋轉(zhuǎn)前后坐標(biāo)系的XY平面設(shè)xOMx，xMMy，""xOMx，""yxMM，由圖2-2可知，)sin()cos(OMMMyOMOMxxx（2-3）sin"cos"""OMMMyOMOMxxx（2-4）已知三角函數(shù)展開式為：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-21-磁場強(qiáng)度信息；然后，數(shù)據(jù)處理模塊對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解算出系統(tǒng)的姿態(tài)角與磁航向角度信息；接著，衛(wèi)星測向模塊對磁航向進(jìn)行在線或離線的信息融合校準(zhǔn)；最后，通過無線通信模塊將測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送至PC端。航向測量系統(tǒng)整體組成框圖如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)整體組成框圖3.3.2數(shù)據(jù)處理模塊方案本課題的微處理器芯片選用意法半導(dǎo)體公司研制的一款32位的高性能微處理器STM32F407芯片，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊間的邏輯控制、數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。該芯片基于高性能ARMCortex-M432位RISC內(nèi)核，供電電壓3.3V，最高工作頻率可達(dá)168MHz，具有體積孝功耗低、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。STM32F407芯片的外設(shè)資源非常豐富，自帶多種常用的通信接口，可同時(shí)外接多個(gè)傳感器，處理多項(xiàng)任務(wù)。本課題主要用到了STM32的GPIO通用I/O端口、高精度ADC采樣、USART串口和TIM定時(shí)器等外設(shè)。3.3.3磁航向測量模塊方案目前，用于測量磁場的常見磁場傳感器主要有霍爾效應(yīng)傳感器[56]，磁感傳感器、磁通門傳感器[57]和磁阻傳感器四種，其性能對比見表3-1。表3-1磁場傳感器性能對比磁場傳感器體積重量功耗靈敏度分辨率電路設(shè)計(jì)其他霍爾效應(yīng)傳感器小輕小低低簡單用于強(qiáng)磁場測量磁通門傳感器大重大高高復(fù)雜用于弱磁場測量磁感傳感器小輕小低低簡單用于動(dòng)態(tài)磁場測量磁阻傳感器小輕小較高高簡單用于弱磁場測量

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3563234