本文關(guān)鍵詞：基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的10-DOF慣性測量單元

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【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,陸地資源即將消耗殆盡,人們逐漸將資源開發(fā)的重心轉(zhuǎn)向海洋,由于海洋環(huán)境復(fù)雜,突發(fā)狀況較多,因此海洋開發(fā)技術(shù)較陸地上難度更大。其中,水下系統(tǒng)的慣性導(dǎo)航技術(shù)是核心內(nèi)容之一,而姿態(tài)檢測技術(shù)是慣性導(dǎo)航的重要組成部分。其應(yīng)用范圍已由原來的航空航天和軍事領(lǐng)域,擴(kuò)展到機(jī)器人、海洋探測乃至汽車、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等多個方面。本文提出了一種體積小巧、功耗低、實(shí)時性能好的用于姿態(tài)檢測的慣性測量單元系統(tǒng),主要由基于MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)的三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁力計、溫度傳感器以及高速微控制器及其外圍電路組成硬件平臺,軟件平臺核心是高精度傳感器數(shù)據(jù)融合姿態(tài)解算算法。系統(tǒng)對外接口為RS232。通過連接PC中的上位機(jī)軟件,操作人員可以直觀的看到設(shè)備的3D姿態(tài)信息,由此來控制設(shè)備。本文由慣性傳感器和微控制器的選取與分析、系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計與搭建、嵌入式軟件和上位機(jī)軟件的編寫、傳感器數(shù)據(jù)融合算法的分析與比較、系統(tǒng)測試五個部分組成。其中第1章緒論主要闡述了慣性導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,提出了本文的理論價值與實(shí)踐意義,以及主要的研究內(nèi)容。第2章姿態(tài)檢測的原理主要分為姿態(tài)的表達(dá)方式和數(shù)據(jù)融合算法,分別討論了歐拉角、旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)的相關(guān)原理和優(yōu)缺點(diǎn),以及幾種慣性器件數(shù)據(jù)融合姿態(tài)檢測方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。第3章至第5章就系統(tǒng)設(shè)計展開討論,確定了以MEMS傳感器和STM32F303VCT6為核心的硬件平臺。傳感器數(shù)據(jù)融合算法選取了卡爾曼濾波算法,并針對嵌入式這一硬件平臺加以改進(jìn),提高了實(shí)時性。PC中的上位機(jī)在VS2012平臺下進(jìn)行開發(fā),通過OpenGL圖形接口實(shí)現(xiàn)設(shè)備姿態(tài)的3D實(shí)時顯示。第6章主要對系統(tǒng)動靜態(tài)性能進(jìn)行了測試,包括探究相關(guān)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響,利用三軸無磁轉(zhuǎn)動平臺記錄姿態(tài)角度實(shí)際值,并與10-DOF慣性測量單元顯示的角度作比較。
【關(guān)鍵詞】：數(shù)據(jù)融合 姿態(tài)檢測 卡爾曼濾波 慣性導(dǎo)航
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN96;TN713
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 緒論9-12
• 1.1 課題來源9
• 1.2 研究背景及意義9-10
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢10-11
• 1.4 課題研究內(nèi)容11-12
• 第2章 姿態(tài)檢測原理12-23
• 2.1 姿態(tài)表達(dá)方式12-16
• 2.1.1 旋轉(zhuǎn)矩陣12-13
• 2.1.2 歐拉角13-14
• 2.1.3 四元數(shù)14
• 2.1.4 旋轉(zhuǎn)矩陣、歐拉角、四元數(shù)相互轉(zhuǎn)化14-16
• 2.2 數(shù)據(jù)融合算法16-22
• 2.2.1 基于互補(bǔ)濾波的數(shù)據(jù)融合方法16-18
• 2.2.2 基于梯度下降的數(shù)據(jù)融合方法18-19
• 2.2.3 基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合方式19-22
• 2.3 本章小結(jié)22-23
• 第3章 總體方案設(shè)計23-34
• 3.1 傳感器與處理器選取23-25
• 3.1.1 傳感器選取23-24
• 3.1.2 處理器選取24-25
• 3.2 數(shù)據(jù)融合算法設(shè)計25-33
• 3.2.1 數(shù)據(jù)融合算法分析與比較26-28
• 3.2.2 基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合算法設(shè)計28-30
• 3.2.3 陀螺儀溫度漂移補(bǔ)償30-31
• 3.2.4 加速度與磁校正31-33
• 3.3 本章小結(jié)33-34
• 第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計34-39
• 4.1 核心電路34-36
• 4.2 電源電路36
• 4.3 調(diào)試電路36
• 4.4 傳感器外圍電路36-37
• 4.4.1 L3GD20及其外圍電路36-37
• 4.4.2 LSM303DLHC及其外圍電路37
• 4.5 串口電路37-38
• 4.6 本章小結(jié)38-39
• 第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計39-60
• 5.1 下位機(jī)程序設(shè)計39-50
• 5.1.1 系統(tǒng)初始化42-44
• 5.1.2 傳感器數(shù)據(jù)采集44-46
• 5.1.3 數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算46-49
• 5.1.4 通信協(xié)議49-50
• 5.2 上位機(jī)程序設(shè)計50-59
• 5.2.1 數(shù)據(jù)接收與解析52-53
• 5.2.2 姿態(tài)信息 3D顯示53-57
• 5.2.3 人機(jī)交互程序57-59
• 5.3 本章小結(jié)59-60
• 第6章 系統(tǒng)測試與應(yīng)用60-72
• 6.1 姿態(tài)動靜態(tài)測試60-69
• 6.1.1 姿態(tài)靜態(tài)測試60-66
• 6.1.2 姿態(tài)動態(tài)測試66-69
• 6.2 姿態(tài)精確度測試69-70
• 6.3 本章小結(jié)70-72
• 第7章 總結(jié)與展望72-74
• 7.1 總結(jié)72-73
• 7.2 展望73-74
• 致謝74-75
• 參考文獻(xiàn)75-78
• 附錄78

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本文編號：947323