面向大过载的微惯性测量单元集成设计及滤波算法实现
发布时间：2021-02-16 09:34
本课题来源于某研究院,研究目的是需要设计一款抗大过载、体积小、适应能力强等特点的微惯性测量单元,并完成姿态测量任务。微惯性测量单元（Micro Inertial Measurement Unit,MIMU）作为载体姿态的输出模块,为载体提供位置和姿态信息等。未来微惯性测量单元的设计也会向着小型化,低功耗、高精度方向发展。本文基于MEMS（Microelectro Mechanical Systems,微机电系统）技术,设计了微惯性测量单元和滤波算法,根据应用要求制定了总体方案。按照要求使用全国产化的MEMS惯性传感器,使用有浮点型运算的STM32F407作为主控芯片,合理设计硬件电路,编写主控芯片程序,利用LABVIEW软件编写上位机程序,实现了微惯性单元原始数据和姿态角的显示输出,并将数据打包发送给MATLAB处理。因微惯性测量单元使用在振动冲击较大的环境中,故对设计好的惯性金属支撑结构,进行了ANSYS应力分析,其仿真分析的结果为MIMU的结构设计提供了理论基础。为了提高微惯性测量单元的可靠性,在正交安装的MIMU内部注入硬质聚氨酯发泡剂,以缓冲模块受到的冲击力;微惯性测量单元内空...
【文章来源】：广东工业大学广东省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRSCT
第一章 绪论
1.1 本文的课题背景和选题意义
1.2 国内外惯导技术的研究现状
1.2.1 惯导技术的现状和发展
1.2.2 惯性测量单元的研究现状
1.2.3 抗过载惯性器件的研究现状
1.3 MEMS惯性导航滤波算法的研究现状
1.4 本文研究的主要内容
第二章 微惯性测量单元的方案设计
2.1 微惯性测量单元的控制硬件方案
2.2 微惯性测量单元的控制软件方案
2.3 微惯性测量单元的防护要求
2.3.1 微惯性结构过载保护需求
2.3.2 微惯性测量单元的散热需求
2.4 微惯性测量单元的滤波算法方案
2.4.1 卡尔曼滤波算法
2.4.2 线性互补滤波的方案
2.4.3 基于熵准则的卡尔曼滤波算法方案设计
2.5 本章小结
第三章 微惯性测量单元的控制硬件和软件设计
3.1 硬件电路设计
3.1.1 微处理器模块电路设计
3.1.2 MEMS陀螺仪电路设计
3.1.3 MEMS加速度计电路设计
3.1.4 系统供电模块设计
3.1.5 微处理器系统的复位和时钟电路设计
3.1.6 上位机的通信接口设计
3.2 微惯性系统的数据采集与处理
3.2.1 微处理器串口通信程序设计及数据的采集
3.2.2 数据采集的上位机软件设计
3.3 本章小结
第四章 微惯性测量单元的结构仿真分析
4.1 大过载的微惯性结构有限元分析
4.1.1 刚性防护下建模分析
4.1.2 柔性防护下建模分析
4.2 微惯性测量单元的随机振动分析
4.2.1 微惯性测量单元的随机振动响应
4.2.2 微惯性测量单元的模态分析
4.3 微惯性测量单元的有限元热分析
4.3.1 微惯性测量单元的高温热分析
4.3.2 微惯性测量单元的散热设计
4.4 本章小结
第五章 MIMU的误差分析、标定和性能测试
5.1 MIMU的误差分析和标定补偿模型
5.1.1 微惯性测量单元的误差分析
5.1.2 微惯性测量单元标定
5.2 基于Allan方差分析
5.2.1 基于Allan方差分析的陀螺仪性能
5.2.2 基于Allan方差分析的加速度计性能
5.3 MIMU的高加速度冲击试验
5.3.1 MIMU的大过载冲击试验
5.3.2 MIMU的大过载冲击试验分析
5.4 MIMU的滤波算法的实验分析
5.4.1 MIMU的静置实验分析
5.4.2 MIMU的动态实验分析
5.5 本章小结
总结和展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光陀螺捷联惯性导航系统零速修正研究[J]. 王建中. 压电与声光. 2018(04)
[2]室温硫化电子灌封胶的制备及其性能研究[J]. 林志远,柯勇,胡孝勇. 化工新型材料. 2017(05)
[3]浅析卡尔曼雷达滤波技术在空管监视系统中的应用[J]. 周君. 科技视界. 2015(19)
[4]MEMS三轴数字陀螺仪标定方法研究[J]. 彭孝东,陈瑜,李继宇,闫国琦,张铁民. 传感器与微系统. 2013(06)
[5]高硬度聚氨酯灌封胶的制备及性能研究[J]. 曹开东,张平,喻建明,张立群,李春兰,李晓林. 聚氨酯工业. 2013(02)
[6]小型激光陀螺随机误差的Allan方差分析[J]. 耿丹,许光明. 光学与光电技术. 2013(01)
[7]直接法UKF在组合导航中的应用[J]. 练玉新,王朝立,孙妍,杨亚民. 微计算机信息. 2012(01)
[8]某型探空火箭组合导航系统设计[J]. 王晓晖,齐鑫,杜浩. 计算机测量与控制. 2011(04)
[9]电子器件灌封材料的现状及发展趋势[J]. 罗刚. 实验科学与技术. 2010(03)
[10]高g值微机械加速度传感器的现状与发展[J]. 李世维,王群书,古仁红,刘君华. 仪器仪表学报. 2008(04)
博士论文
[1]MEMS-IMU误差分析补偿与实验研究[D]. 代刚.清华大学 2011
硕士论文
[1]一体化闸门的设计与控制[D]. 彭进.扬州大学 2018
[2]基于微惯性传感器的倾角测量系统研究[D]. 刘伟.中北大学 2017
[3]制冷类产品压缩机智能拆解设备研制[D]. 杨军华.合肥工业大学 2017
[4]抗高过载微惯性测量单元设计与分析[D]. 蒋鹏.南京理工大学 2017
[5]机载卫星天线自动跟踪系统控制技术研究[D]. 范强.北京理工大学 2016
[6]MEMS陀螺仪组合系统及滤波算法设计[D]. 杜少鹤.哈尔滨工业大学 2015
[7]水下机器人导航定位技术研究[D]. 张钧凯.青岛科技大学 2015
[8]旋挖钻机变幅机构的力学特性分析及结构参数优化[D]. 刘彦伯.长安大学 2014
[9]飞行器舵机控制系统硬件设计[D]. 任展鹏.西安工业大学 2013
[10]MEMS微惯性航姿系统的优化设计与集成技术研究[D]. 王小春.南京航空航天大学 2013
本文编号：3036585
【文章来源】：广东工业大学广东省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRSCT
第一章 绪论
1.1 本文的课题背景和选题意义
1.2 国内外惯导技术的研究现状
1.2.1 惯导技术的现状和发展
1.2.2 惯性测量单元的研究现状
1.2.3 抗过载惯性器件的研究现状
1.3 MEMS惯性导航滤波算法的研究现状
1.4 本文研究的主要内容
第二章 微惯性测量单元的方案设计
2.1 微惯性测量单元的控制硬件方案
2.2 微惯性测量单元的控制软件方案
2.3 微惯性测量单元的防护要求
2.3.1 微惯性结构过载保护需求
2.3.2 微惯性测量单元的散热需求
2.4 微惯性测量单元的滤波算法方案
2.4.1 卡尔曼滤波算法
2.4.2 线性互补滤波的方案
2.4.3 基于熵准则的卡尔曼滤波算法方案设计
2.5 本章小结
第三章 微惯性测量单元的控制硬件和软件设计
3.1 硬件电路设计
3.1.1 微处理器模块电路设计
3.1.2 MEMS陀螺仪电路设计
3.1.3 MEMS加速度计电路设计
3.1.4 系统供电模块设计
3.1.5 微处理器系统的复位和时钟电路设计
3.1.6 上位机的通信接口设计
3.2 微惯性系统的数据采集与处理
3.2.1 微处理器串口通信程序设计及数据的采集
3.2.2 数据采集的上位机软件设计
3.3 本章小结
第四章 微惯性测量单元的结构仿真分析
4.1 大过载的微惯性结构有限元分析
4.1.1 刚性防护下建模分析
4.1.2 柔性防护下建模分析
4.2 微惯性测量单元的随机振动分析
4.2.1 微惯性测量单元的随机振动响应
4.2.2 微惯性测量单元的模态分析
4.3 微惯性测量单元的有限元热分析
4.3.1 微惯性测量单元的高温热分析
4.3.2 微惯性测量单元的散热设计
4.4 本章小结
第五章 MIMU的误差分析、标定和性能测试
5.1 MIMU的误差分析和标定补偿模型
5.1.1 微惯性测量单元的误差分析
5.1.2 微惯性测量单元标定
5.2 基于Allan方差分析
5.2.1 基于Allan方差分析的陀螺仪性能
5.2.2 基于Allan方差分析的加速度计性能
5.3 MIMU的高加速度冲击试验
5.3.1 MIMU的大过载冲击试验
5.3.2 MIMU的大过载冲击试验分析
5.4 MIMU的滤波算法的实验分析
5.4.1 MIMU的静置实验分析
5.4.2 MIMU的动态实验分析
5.5 本章小结
总结和展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光陀螺捷联惯性导航系统零速修正研究[J]. 王建中. 压电与声光. 2018(04)
[2]室温硫化电子灌封胶的制备及其性能研究[J]. 林志远,柯勇,胡孝勇. 化工新型材料. 2017(05)
[3]浅析卡尔曼雷达滤波技术在空管监视系统中的应用[J]. 周君. 科技视界. 2015(19)
[4]MEMS三轴数字陀螺仪标定方法研究[J]. 彭孝东,陈瑜,李继宇,闫国琦,张铁民. 传感器与微系统. 2013(06)
[5]高硬度聚氨酯灌封胶的制备及性能研究[J]. 曹开东,张平,喻建明,张立群,李春兰,李晓林. 聚氨酯工业. 2013(02)
[6]小型激光陀螺随机误差的Allan方差分析[J]. 耿丹,许光明. 光学与光电技术. 2013(01)
[7]直接法UKF在组合导航中的应用[J]. 练玉新,王朝立,孙妍,杨亚民. 微计算机信息. 2012(01)
[8]某型探空火箭组合导航系统设计[J]. 王晓晖,齐鑫,杜浩. 计算机测量与控制. 2011(04)
[9]电子器件灌封材料的现状及发展趋势[J]. 罗刚. 实验科学与技术. 2010(03)
[10]高g值微机械加速度传感器的现状与发展[J]. 李世维,王群书,古仁红,刘君华. 仪器仪表学报. 2008(04)
博士论文
[1]MEMS-IMU误差分析补偿与实验研究[D]. 代刚.清华大学 2011
硕士论文
[1]一体化闸门的设计与控制[D]. 彭进.扬州大学 2018
[2]基于微惯性传感器的倾角测量系统研究[D]. 刘伟.中北大学 2017
[3]制冷类产品压缩机智能拆解设备研制[D]. 杨军华.合肥工业大学 2017
[4]抗高过载微惯性测量单元设计与分析[D]. 蒋鹏.南京理工大学 2017
[5]机载卫星天线自动跟踪系统控制技术研究[D]. 范强.北京理工大学 2016
[6]MEMS陀螺仪组合系统及滤波算法设计[D]. 杜少鹤.哈尔滨工业大学 2015
[7]水下机器人导航定位技术研究[D]. 张钧凯.青岛科技大学 2015
[8]旋挖钻机变幅机构的力学特性分析及结构参数优化[D]. 刘彦伯.长安大学 2014
[9]飞行器舵机控制系统硬件设计[D]. 任展鹏.西安工业大学 2013
[10]MEMS微惯性航姿系统的优化设计与集成技术研究[D]. 王小春.南京航空航天大学 2013
本文编号：3036585
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3036585.html
