小型无人机航向测量技术研究
发布时间：2022-01-02 01:51
近年来,无人机的发展越来越趋向于小型化、智能化、集成化,在各个领域都得到了普遍应用。当小型无人机在空中飞行时,由于其结构特点,受气流和风速的影响较大。航向测量系统作为无人机导航参数信息的主要来源,是无人机实现平稳飞行的基础构成部分。根据小型无人机的特点以及对航向测量系统的需求,本课题开展对小型无人机的航向测量系统的研究。现阶段,小型无人机难以采用造价昂贵、体积庞大的高精度惯导设备,而满足小型无人机要求的MEMS惯性器件不能自主寻北并且很难达到理想的精度要求。为了解决以上问题,本课题利用地磁场进行磁航向测量。使用磁阻传感器HMC1053进行磁场测量,利用陀螺仪和加速计组件MPU6050进行姿态补偿。为降低姿态角误差对磁航向测量精度的影响,本课题提出了基于数字仿真和静态试验相结合的互补滤波参数优化方法,提高了基于陀螺仪和加速计互补滤波的姿态角测量精度。针对磁传感器在实际工作环境中易受到传感器自身及外部磁场环境干扰,导致磁航向角的测量精度降低的问题,本课题提出了基于椭球拟合自校准和卫星测向信息融合的磁航向误差联合校准方法,一方面采用椭球拟合算法对磁传感器自身输出数据进行校准,另一方面利用卫星...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
载体
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-11-bnRQQ（2-2）式中R矩阵即为方向余弦矩阵。为方便理解，根据载体的飞行状态，这里先对导航坐标系转换到载体坐标系的方向余弦矩阵进行推导。由姿态角与航向角的定义可得，小型无人机每次绕轴转动的顺序是固定的，旋转过程依次为航向角、俯仰角、横滚角。在本文默认的导航坐标系与载体坐标系下，从导航坐标系转换到载体坐标系，总共要经过三次转动，依次为绕Z轴、X轴、Y轴进行旋转。每次旋转都能够用一个3×3的方向余弦矩阵来描述。设有直角坐标系OXYZ内的一点P，坐标为zyx),,(，对应在XOY平面、XOZ平面和YOZ平面上的投影为yxM)0,,(、zxQ),0,(、zyN),,0(。假设坐标系OXYZ绕Z轴顺时针旋转角度，转动后的坐标系为OX′Y′Z′。由于转动是围绕Z轴进行旋转的，因此转换前后两点的Z轴坐标不变，转动过程可直接简化为在XOY平面内的计算。如图2-2所示，其中点M分别向X轴和X′轴上的投影为点xM与点x"M。图2-2旋转前后坐标系的XY平面设xOMx，xMMy，""xOMx，""yxMM，由图2-2可知，)sin()cos(OMMMyOMOMxxx（2-3）sin"cos"""OMMMyOMOMxxx（2-4）已知三角函数展开式为：
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-21-磁场强度信息；然后，数据处理模块对测量数据进行处理，解算出系统的姿态角与磁航向角度信息；接着，卫星测向模块对磁航向进行在线或离线的信息融合校准；最后，通过无线通信模块将测量数据实时的传送至PC端。航向测量系统整体组成框图如图3-1所示。图3-1系统整体组成框图3.3.2数据处理模块方案本课题的微处理器芯片选用意法半导体公司研制的一款32位的高性能微处理器STM32F407芯片，实现系统各个模块间的逻辑控制、数据处理等任务。该芯片基于高性能ARMCortex-M432位RISC内核，供电电压3.3V，最高工作频率可达168MHz，具有体积孝功耗低、价格低等优点。STM32F407芯片的外设资源非常丰富，自带多种常用的通信接口，可同时外接多个传感器，处理多项任务。本课题主要用到了STM32的GPIO通用I/O端口、高精度ADC采样、USART串口和TIM定时器等外设。3.3.3磁航向测量模块方案目前，用于测量磁场的常见磁场传感器主要有霍尔效应传感器[56]，磁感传感器、磁通门传感器[57]和磁阻传感器四种，其性能对比见表3-1。表3-1磁场传感器性能对比磁场传感器体积重量功耗灵敏度分辨率电路设计其他霍尔效应传感器小轻小低低简单用于强磁场测量磁通门传感器大重大高高复杂用于弱磁场测量磁感传感器小轻小低低简单用于动态磁场测量磁阻传感器小轻小较高高简单用于弱磁场测量
【参考文献】：
期刊论文
[1]微小型无人机航向姿态解算研究[J]. 郭志杰,庄哲民,Alex Noel Joseph Raj,黄慕斌. 测试技术学报. 2018(05)
[2]捷联惯导互补滤波姿态融合算法设计[J]. 杜瑾,赵华超,郑哲,王祥,司迎利. 传感技术学报. 2018(10)
[3]基于椭球拟合的磁力计误差校正方法研究[J]. 孙伟,杨一涵,王野. 传感技术学报. 2018(09)
[4]基于AMR传感器SET/RESET功能的磁场精确测量技术[J]. 檀杰,张晓明,陈雷. 中国测试. 2018(05)
[5]基于软件接收机的卫星导航信号模拟器性能指标测试[J]. 欧国标,路辉. 计算机测量与控制. 2017(03)
[6]三轴磁传感器误差分析与校准[J]. 陈雷,卞鸿巍,王荣颖,苏瑞祥. 舰船电子工程. 2017(01)
[7]三轴磁传感器制造误差补偿方法研究[J]. 陈文蓉,张婧. 现代防御技术. 2015(06)
[8]基于惯性传感器MPU6050的滤波算法研究[J]. 傅忠云,朱海霞,孙金秋,刘文波. 压电与声光. 2015(05)
[9]浅谈GPS/SINS组合导航系统的设计[J]. 余卫国. 北京测绘. 2014(04)
[10]基于多磁传感器的智能航向测定系统[J]. 吴静,朱国魂,谢波,陈孔阳. 传感器与微系统. 2014(04)
博士论文
[1]基于磁阻传感器阵列的车辆自主导航系统研究[D]. 徐海贵.上海交通大学 2009
硕士论文
[1]北斗卫星短基线定位的多路径效应抑制与周跳探测研究[D]. 谢皓.合肥工业大学 2018
[2]基于MEMS陀螺仪随机漂移误差补偿的研究[D]. 张娜.中北大学 2017
[3]MEMS-INS/GNSS组合导航系统研究[D]. 周彬.南京航空航天大学 2017
[4]具有倾角补偿功能的Android电子罗盘设计[D]. 贾意弦.中北大学 2016
[5]微小型无人机MEMS-IMU/GPS组合测姿系统研究[D]. 池晓辉.哈尔滨工程大学 2016
[6]基于隧道磁阻传感器的电子罗盘设计[D]. 王琪.中北大学 2015
[7]基于小型无人机的航姿测量系统研究与设计[D]. 刘天刚.重庆大学 2015
[8]GNSS车载定位定向系统的研究与设计[D]. 武少广.河北科技大学 2013
[9]带倾角补偿的数字式电子磁罗盘设计[D]. 叶健.南京理工大学 2013
[10]基于北斗/GPS的无人机定向方法研究[D]. 伦兴荣.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3563234
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
载体
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-11-bnRQQ（2-2）式中R矩阵即为方向余弦矩阵。为方便理解，根据载体的飞行状态，这里先对导航坐标系转换到载体坐标系的方向余弦矩阵进行推导。由姿态角与航向角的定义可得，小型无人机每次绕轴转动的顺序是固定的，旋转过程依次为航向角、俯仰角、横滚角。在本文默认的导航坐标系与载体坐标系下，从导航坐标系转换到载体坐标系，总共要经过三次转动，依次为绕Z轴、X轴、Y轴进行旋转。每次旋转都能够用一个3×3的方向余弦矩阵来描述。设有直角坐标系OXYZ内的一点P，坐标为zyx),,(，对应在XOY平面、XOZ平面和YOZ平面上的投影为yxM)0,,(、zxQ),0,(、zyN),,0(。假设坐标系OXYZ绕Z轴顺时针旋转角度，转动后的坐标系为OX′Y′Z′。由于转动是围绕Z轴进行旋转的，因此转换前后两点的Z轴坐标不变，转动过程可直接简化为在XOY平面内的计算。如图2-2所示，其中点M分别向X轴和X′轴上的投影为点xM与点x"M。图2-2旋转前后坐标系的XY平面设xOMx，xMMy，""xOMx，""yxMM，由图2-2可知，)sin()cos(OMMMyOMOMxxx（2-3）sin"cos"""OMMMyOMOMxxx（2-4）已知三角函数展开式为：
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-21-磁场强度信息；然后，数据处理模块对测量数据进行处理，解算出系统的姿态角与磁航向角度信息；接着，卫星测向模块对磁航向进行在线或离线的信息融合校准；最后，通过无线通信模块将测量数据实时的传送至PC端。航向测量系统整体组成框图如图3-1所示。图3-1系统整体组成框图3.3.2数据处理模块方案本课题的微处理器芯片选用意法半导体公司研制的一款32位的高性能微处理器STM32F407芯片，实现系统各个模块间的逻辑控制、数据处理等任务。该芯片基于高性能ARMCortex-M432位RISC内核，供电电压3.3V，最高工作频率可达168MHz，具有体积孝功耗低、价格低等优点。STM32F407芯片的外设资源非常丰富，自带多种常用的通信接口，可同时外接多个传感器，处理多项任务。本课题主要用到了STM32的GPIO通用I/O端口、高精度ADC采样、USART串口和TIM定时器等外设。3.3.3磁航向测量模块方案目前，用于测量磁场的常见磁场传感器主要有霍尔效应传感器[56]，磁感传感器、磁通门传感器[57]和磁阻传感器四种，其性能对比见表3-1。表3-1磁场传感器性能对比磁场传感器体积重量功耗灵敏度分辨率电路设计其他霍尔效应传感器小轻小低低简单用于强磁场测量磁通门传感器大重大高高复杂用于弱磁场测量磁感传感器小轻小低低简单用于动态磁场测量磁阻传感器小轻小较高高简单用于弱磁场测量
【参考文献】：
期刊论文
[1]微小型无人机航向姿态解算研究[J]. 郭志杰,庄哲民,Alex Noel Joseph Raj,黄慕斌. 测试技术学报. 2018(05)
[2]捷联惯导互补滤波姿态融合算法设计[J]. 杜瑾,赵华超,郑哲,王祥,司迎利. 传感技术学报. 2018(10)
[3]基于椭球拟合的磁力计误差校正方法研究[J]. 孙伟,杨一涵,王野. 传感技术学报. 2018(09)
[4]基于AMR传感器SET/RESET功能的磁场精确测量技术[J]. 檀杰,张晓明,陈雷. 中国测试. 2018(05)
[5]基于软件接收机的卫星导航信号模拟器性能指标测试[J]. 欧国标,路辉. 计算机测量与控制. 2017(03)
[6]三轴磁传感器误差分析与校准[J]. 陈雷,卞鸿巍,王荣颖,苏瑞祥. 舰船电子工程. 2017(01)
[7]三轴磁传感器制造误差补偿方法研究[J]. 陈文蓉,张婧. 现代防御技术. 2015(06)
[8]基于惯性传感器MPU6050的滤波算法研究[J]. 傅忠云,朱海霞,孙金秋,刘文波. 压电与声光. 2015(05)
[9]浅谈GPS/SINS组合导航系统的设计[J]. 余卫国. 北京测绘. 2014(04)
[10]基于多磁传感器的智能航向测定系统[J]. 吴静,朱国魂,谢波,陈孔阳. 传感器与微系统. 2014(04)
博士论文
[1]基于磁阻传感器阵列的车辆自主导航系统研究[D]. 徐海贵.上海交通大学 2009
硕士论文
[1]北斗卫星短基线定位的多路径效应抑制与周跳探测研究[D]. 谢皓.合肥工业大学 2018
[2]基于MEMS陀螺仪随机漂移误差补偿的研究[D]. 张娜.中北大学 2017
[3]MEMS-INS/GNSS组合导航系统研究[D]. 周彬.南京航空航天大学 2017
[4]具有倾角补偿功能的Android电子罗盘设计[D]. 贾意弦.中北大学 2016
[5]微小型无人机MEMS-IMU/GPS组合测姿系统研究[D]. 池晓辉.哈尔滨工程大学 2016
[6]基于隧道磁阻传感器的电子罗盘设计[D]. 王琪.中北大学 2015
[7]基于小型无人机的航姿测量系统研究与设计[D]. 刘天刚.重庆大学 2015
[8]GNSS车载定位定向系统的研究与设计[D]. 武少广.河北科技大学 2013
[9]带倾角补偿的数字式电子磁罗盘设计[D]. 叶健.南京理工大学 2013
[10]基于北斗/GPS的无人机定向方法研究[D]. 伦兴荣.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3563234
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