發(fā)布時(shí)間：2022-01-13 13:56

　　姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)是一類利用姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)物體的偏航角、橫滾角和俯仰角的設(shè)備,無論在航空航天、工業(yè)控制等高端領(lǐng)域,還是在虛擬現(xiàn)實(shí)、民用無人機(jī)等民用領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)的使用單個(gè)的器件測(cè)量載體的姿態(tài)的方式誤差較大,隨著MEMS慣性傳感器和磁阻傳感器的不斷發(fā)展,設(shè)計(jì)多傳感器組合測(cè)姿系統(tǒng)成為可能。為了更好的滿足民用和消費(fèi)電子領(lǐng)域的需求,該系統(tǒng)應(yīng)該滿足小型化、實(shí)時(shí)傳輸、低功耗、可靠性高、成本低、集成度高等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一款實(shí)時(shí)小型化姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng),選用了集成三軸陀螺儀和加速度計(jì)的六軸MEMS慣性測(cè)量單元BMI160,磁傳感器HMC5883L作為其主要的敏感單元,實(shí)時(shí)采集載體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。選用STM32F103T8U6作為系統(tǒng)核心處理器,實(shí)時(shí)收集傳感器數(shù)據(jù),并結(jié)合多傳感器數(shù)據(jù)融合算法,解算出載體的姿態(tài)信息,并以串口通信的方式將解算得到的數(shù)據(jù)傳入到上位機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。論文主要研究了基于慣導(dǎo)技術(shù)的姿態(tài)測(cè)量基本原理和方法,通過對(duì)比三種常見的用于描述載體姿態(tài)信息的方向余弦矩陣法、歐拉角法和四元數(shù)法的優(yōu)缺點(diǎn),確定了四元數(shù)作為姿態(tài)信息的表述方法,推導(dǎo)了四元數(shù)的更新方程,同時(shí),也詳細(xì)的介紹了常用的梯... 

【文章來源】：杭州電子科技大學(xué)浙江省

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

參考坐標(biāo)系在姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)于參考坐標(biāo)系的三個(gè)軸向，具體定義了如下三個(gè)姿

浙江碩士學(xué)位論文12順序不同，所得到的變換矩陣也有所不同，按照航空次序角旋轉(zhuǎn)，即先繞Z軸旋轉(zhuǎn)，再繞X軸旋轉(zhuǎn)，最后繞Y軸旋轉(zhuǎn)。具體轉(zhuǎn)動(dòng)過程如圖2.2所示：圖2.2歐拉角轉(zhuǎn)動(dòng)過程載體得具體旋轉(zhuǎn)順序滿足以下關(guān)系：每一個(gè)旋轉(zhuǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)矩陣，因此三次旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)了如下三個(gè)矩陣：1000cossin0sin-cos1nC（2.3）cossin0sincos000121C（2.4）cos0sin010sin0cosb2C（2.5）由上一節(jié)可知，由導(dǎo)航坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的方向余弦矩陣為bCn，則根據(jù)歐拉角三次旋轉(zhuǎn)的連續(xù)性，可以得到如下的關(guān)系式：1212nnbbCCCC（2.6）由于在旋轉(zhuǎn)過程中，各個(gè)坐標(biāo)軸的正交性保持不變，且1212nbCCC因此有如下的關(guān)系：TbnbnnCCC)()(1b（2.7）

浙江碩士學(xué)位論文15由上一節(jié)中，對(duì)四元數(shù)的介紹，可知四元數(shù)可以用來描述n系和b系之間的關(guān)系，而載體和b系固連，所以載體與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的關(guān)系，就可以用n系和b系之間的關(guān)系表征，在姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中，如果只關(guān)心某一時(shí)0刻b系和n系的軸向之間的關(guān)系時(shí)，可以理解b系是由n系經(jīng)過一次等效旋轉(zhuǎn)所形成的。式（2.14）就可以用來表示這種關(guān)系，而姿態(tài)四元數(shù)Q則包含了這種旋轉(zhuǎn)的全部信息，在旋轉(zhuǎn)中nu通常被定義為旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)方向，而則表示轉(zhuǎn)過的角度。由于某一時(shí)刻載體的姿態(tài)唯一確定，所以四元數(shù)為時(shí)間t的函數(shù)，可對(duì)上式兩邊求導(dǎo)得：dtduudtdQnn2sin2cos22sin2（2.15）其中nnnbbbnbnnnudtduCdtdudtdu（2.16）載體繞旋轉(zhuǎn)軸u旋轉(zhuǎn)，載體始終與b系固連，因此在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，b系的x軸、y軸和z軸分布在圓錐的各個(gè)面上，如圖2.3所示。旋轉(zhuǎn)軸u位于圓錐的對(duì)稱軸上，則u在這三個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的投影不變，而在載體坐標(biāo)系中觀察到的u始終不變，因此有：0bbdtdu（2.17）圖2.3系繞u旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的三個(gè)圓錐面又因?yàn)閚nnbu（2.18）所以有0nnnuudtdu（2.19）

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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