基于MPU6050的微小型无人机AHRS设计研究

发布时间：2017-08-09 14:02

  本文关键词：基于MPU6050的微小型无人机AHRS设计研究

  更多相关文章： 微小型无人机 航姿参考系统 MEMS MPU6050

【摘要】：航姿参考系统(AHRS)是无人机飞控系统中提供实时航姿信息的重要组成部分。微小型无人机受自身载荷、功耗、尺寸及成本的限制,通常采用低成本MEMS惯性传感器和捷联惯性导航技术构成其AHRS,但测量精度较低。因此,研究基于低成本MEMS惯性传感器的AHRS设计中的关键问题,并寻求提高其精度的途径和方法,具有重要的工程应用价值。论文对基于低成本惯性测量单元MPU6050的微小型无人机AHRS设计中的MEMS惯性传感器的标定、温度补偿、随机误差补偿以及无人机姿态解算等关键问题进行了深入研究,主要内容包括:(1)深入分析了微小型无人机AHRS的国内外研究现状,以及商品化MEMS惯性传感器的发展现状,并根据研究内容,设计搭建了基于惯性测量单元MPU6050和微控制器STM32F103TBU6的微小型无人AHRS实验研究与测试的硬件平台。(2)完成了实验研究与测试平台的软件设计,主要包括数据采集、标定测试、姿态解算测试、数据封装与发送等程序模块。(3)深入分析比较了MEMS传感器的随机误差补偿算法,采用AR模型法结合离散Kalman滤波算法进行随机误差补偿,其效果良好。同时,深入分析研究了MEMS加速计的零偏输出、刻度因数和MEMS陀螺仪的零偏输出的温度补偿方法。(4)深入分析研究了MEMS传感器的标定方法,并结合惯性测量单元MPU6050的自身特点,对其三轴加速度计和三轴陀螺仪分别给出了基于12位置翻滚法和3位置法的标定数据模型,并进行了相关的实验测试,实验效果良好。(5)深入研究了捷联惯性导航系统的基本原理,并分析比较了常用姿态解算算法。采用基于互补滤波器的四元数法进行姿态解算,并在实验研究与测试平台上进行了转台静态和动态实验测试,以及搭载无人机进行了室外飞行实验测试,测试结果表明:基于MPU6050的AHRS能够满足微小型无人机的俯仰角和横滚角测量需求。
【关键词】：微小型无人机 航姿参考系统 MEMS MPU6050
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 引言7-15
• 1.1 课题的研究背景和意义7
• 1.2 国内外研究与发展现状7-11
• 1.2.1 微小型无人机AHRS研究现状7-9
• 1.2.2 MEMS惯性传感器的发展现状9-11
• 1.3 惯性测量单元MPU605011-13
• 1.4 研究目标与主要工作内容13
• 1.5 论文的组织结构13-15
• 第二章 捷联惯性导航系统的基本原理15-24
• 2.1 常用坐标系15-16
• 2.2 坐标变换16-17
• 2.3 航姿参数解算17-20
• 2.4 姿态矩阵解算20-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第三章 惯性测量单元的误差补偿24-38
• 3.1 惯性测量单元的测量方程24-26
• 3.2 惯性测量单元的标定方法26-31
• 3.2.1 三轴加速度计的标定28-30
• 3.2.2 三轴陀螺仪的标定30-31
• 3.3 惯性单元的温度补偿31-34
• 3.3.1 三轴加速度计的温度补偿31-33
• 3.3.2 三轴陀螺仪的温度补偿33
• 3.3.3 温度传感器的标定33-34
• 3.4 惯性单元的随机误差补偿34-37
• 3.4.1 随机误差模型的建立34-35
• 3.4.2 离散Kalman滤波原理35-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第四章 实验研究与测试平台的硬件系统38-48
• 4.1 测试平台的硬件系统组成与结构38-39
• 4.2 机载平台的硬件系统39-45
• 4.2.1 惯性测量单元41
• 4.2.2 主控制器41-43
• 4.2.3 微型航姿参考模块43-44
• 4.2.4 无线数传模块44-45
• 4.3 双轴电控转台系统45-47
• 4.3.1 双轴电控转台45-46
• 4.3.2 双轴采集控制器46-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第五章 实验研究与测试平台的软件设计48-62
• 5.1 软件总体功能结构48-49
• 5.2 惯性测量单元标定程序设计49-51
• 5.3 姿态矩阵解算程序设计51-52
• 5.4 数据帧接收与发送程序设计52-58
• 5.4.1 数据帧格式52-55
• 5.4.2 数据帧的接收与发送55-58
• 5.5 上位机软件58-61
• 5.5.1 数据收发与帧格式设置58-59
• 5.5.2 数据显示与保存59-61
• 5.6 本章小结61-62
• 第六章 实验测试与数据分析62-89
• 6.1 标定实验测试与数据分析62-74
• 6.1.1 加速度计实验测试与数据分析62-67
• 6.1.2 陀螺仪实验测试与数据分析67-74
• 6.2 姿态解算实验测试与数据分析74-88
• 6.2.1 转台静态实验测试与数据分析74-77
• 6.2.2 转台动态实验测试与数据分析77-86
• 6.2.3 室外飞行实验测试与数据分析86-88
• 6.3 本章小结88-89
• 结论89-91
• 参考文献91-94
• 致谢94

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本文编号：645620