本文關(guān)鍵詞：微型航姿系統(tǒng)的設(shè)計與姿態(tài)解算算法研究

  更多相關(guān)文章： MEMS慣性傳感器 航姿參考系統(tǒng) 姿態(tài)解算 四元數(shù) 擴展卡爾曼濾波

【摘要】：姿態(tài)測量為導航和控制提供了精確的參考信息。傳統(tǒng)的航姿參考系統(tǒng)雖然具有精度高的優(yōu)勢,但其體積大成本高的特點限制了航姿參考系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的推廣,只能應(yīng)用于軍用領(lǐng)域。但隨著近幾年民用領(lǐng)域?qū)阶藚⒖枷到y(tǒng)的需求不斷增加,比如機器人、無人機、船舶導航、三維游戲仿真等領(lǐng)域。在MEMS慣性傳感器快速發(fā)展的歷史背景下,使得開發(fā)一款低成本小型化航姿參考系統(tǒng)成為了可能。本文依托實驗室在研項目,開展了基于多元傳感器的微型航姿參考系統(tǒng)的課題研究。本課題研制的微型航姿系統(tǒng)具有小型化、成本低、精度高等特點。首先,對本論文的研究背景及及意義進行了詳細介紹,綜述國內(nèi)外慣性導航、MEMS傳感器、航姿參考系統(tǒng)的發(fā)展狀況。最后列出了本文的研究內(nèi)容以及本論文的章節(jié)安排。其次,對微型航姿系統(tǒng)的基本原理進行了闡述,其中包括幾種坐標系的定義以及載體的姿態(tài)表示、姿態(tài)方程以及常用的坐標系變換、慣導系統(tǒng)的基本方程、捷聯(lián)式導航系統(tǒng)的基本原理,為課題的繼續(xù)開展提供了理論基礎(chǔ)。再次,給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案,基于體積小、精度高,功耗低設(shè)計原則,搭建了基于ARM和多元傳感器的硬件平臺。完成對航姿系統(tǒng)實驗樣機的研制,并對構(gòu)成航姿系統(tǒng)的主要功能模塊進行了調(diào)試。最后,對姿態(tài)解算算法進行了介紹,通過分析了算法的優(yōu)劣性,選擇基于四元數(shù)的擴展卡爾曼濾波姿態(tài)融合算法,該算法將陀螺儀、磁力計和加速度計進行數(shù)據(jù)融合。對應(yīng)用該算法研制的實驗樣機進行靜態(tài)實驗、定點轉(zhuǎn)停實驗、搖擺實驗、復合運動進行實驗驗證,實驗表明微型航姿系統(tǒng)在靜態(tài)環(huán)境下,航向角偏差為??1,橫滾角和俯仰角角偏差為??0.5,在動態(tài)實驗下,航向角的偏差為??3,俯仰角和橫滾角偏差為??1,將自主研發(fā)的微型航姿系統(tǒng)與目前國內(nèi)設(shè)計的兩款航姿系統(tǒng)進行性能對比,比較表明自主研發(fā)的微型航姿系統(tǒng)可以滿足工程應(yīng)用。達到設(shè)計前的預期。
【關(guān)鍵詞】：MEMS慣性傳感器 航姿參考系統(tǒng) 姿態(tài)解算 四元數(shù) 擴展卡爾曼濾波
【學位授予單位】：重慶郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN96
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 注釋表10-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.1 捷聯(lián)慣性導航的發(fā)展概況12-13
• 1.2.2 MEMS傳感器的發(fā)展概況13
• 1.2.3 航姿系統(tǒng)的發(fā)展概況13-15
• 1.3 本文主要研究工作及結(jié)構(gòu)安排15-17
• 第2章 微型航姿參考系統(tǒng)基本理論17-27
• 2.1 幾種常用坐標系17-19
• 2.2 載體的姿態(tài)表示19-20
• 2.3 載體的姿態(tài)矩陣與坐標變換20-22
• 2.4 慣導系統(tǒng)的基本方程22-24
• 2.5 載體的姿態(tài)方程24
• 2.6 捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)原理24-26
• 2.7 本章小結(jié)26-27
• 第3章 微型航姿參考系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計27-48
• 3.1 概述27
• 3.2 微型航姿參考系統(tǒng)的總體設(shè)計方案27-28
• 3.3 MEMS傳感器的工作原理和性能指標28-33
• 3.3.1 陀螺儀28-30
• 3.3.2 加速度計30-32
• 3.3.3 磁力計32
• 3.3.4 氣壓計32-33
• 3.4 系統(tǒng)硬件的選型和性能介紹33-37
• 3.4.1 中央處理器33-34
• 3.4.2 MEMS慣性傳感器34-35
• 3.4.3 其他傳感器芯片35-37
• 3.5 微航姿系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)37-47
• 3.5.1 系統(tǒng)模塊原理圖設(shè)計38-43
• 3.5.2 系統(tǒng)模塊PCB優(yōu)化設(shè)計43-44
• 3.5.3 系統(tǒng)抗干擾能力及可靠性設(shè)計44
• 3.5.4 系統(tǒng)硬件調(diào)試流程44-45
• 3.5.5 系統(tǒng)功耗測試45-46
• 3.5.6 微航姿參考系統(tǒng)樣機46-47
• 3.6 本章小結(jié)47-48
• 第4章 航姿系統(tǒng)姿態(tài)解算算法研究48-69
• 4.1 姿態(tài)矩陣更新算法48-51
• 4.1.1 歐拉角法解算姿態(tài)角48-49
• 4.1.2 方向余弦法解算姿態(tài)角49-50
• 4.1.3 四元數(shù)法解算姿態(tài)角50-51
• 4.2 姿態(tài)解算算法選擇51-52
• 4.3 卡爾曼融合算法52-58
• 4.3.1 卡爾曼濾波理論52-53
• 4.3.2 經(jīng)典卡爾曼融合算法53-55
• 4.3.3 擴展卡爾曼融合算法55-56
• 4.3.4 Unscented卡爾曼融合算法56-58
• 4.3.5 融合算法選擇58
• 4.4 微型航姿參考系統(tǒng)初對準算法設(shè)計58-68
• 4.4.1 加速度測量姿態(tài)58-59
• 4.4.2 磁力計測量航向59-61
• 4.4.3 陀螺儀定姿算法61-62
• 4.4.4 基于自適應(yīng)擴展卡爾曼濾波四元數(shù)的姿態(tài)融合算法62-64
• 4.4.5 算法中修正因子的確定64-66
• 4.4.6 微型航姿系統(tǒng)姿態(tài)解算算法實現(xiàn)66-67
• 4.4.7 姿態(tài)解算算法驗證67-68
• 4.5 本章小結(jié)68-69
• 第5章 航姿系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)以及性能評價69-85
• 5.1 航姿系統(tǒng)的底層軟件的實現(xiàn)69-73
• 5.1.1 嵌入式軟件設(shè)計流程70
• 5.1.2 嵌入式軟件具體設(shè)計70-72
• 5.1.3 底層程序?qū)崿F(xiàn)的重難點72-73
• 5.2 在線校準上位機軟件73-74
• 5.3 通信協(xié)議的數(shù)據(jù)解析74-75
• 5.4 航姿系統(tǒng)性能測試75-83
• 5.4.1 實驗測試平臺75-76
• 5.4.2 系統(tǒng)靜態(tài)實驗76-78
• 5.4.3 系統(tǒng)定點轉(zhuǎn)停實驗78-80
• 5.4.4 搖擺運動測試80-82
• 5.4.5 復合運動測試82-83
• 5.5 性能對比83-84
• 5.6 本章小結(jié)84-85
• 第6章 總結(jié)與展望85-87
• 6.1 本文工作總結(jié)85-86
• 6.2 未來工作展望86-87
• 參考文獻87-91
• 致謝91-92
• 攻讀碩士學位期間從事的科研工作及取得的成果92

【參考文獻】

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本文編號：718847