基于MEMS陀螺仪的飞行器动导数测试系统研究

发布时间：2017-08-14 04:29

  本文关键词：基于MEMS陀螺仪的飞行器动导数测试系统研究

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【摘要】：稳定和控制问题是飞行器设计的关键技术之一,动导数是用来衡量飞行器稳定性的重要参数。风洞自由飞试验可以避免支杆对动导数测量结果的影响,因此完全没有干扰影响的风洞自由飞动导数试验技术至今还在探索发展。论文的目的在于改进目前采用的首先以高速摄影获取原始姿态角数据,然后根据模型平面运动方程通过极大似然准则辨识动导数的方法。论文设计了一种基于MEMS陀螺仪的嵌入式测试系统来测量姿态角运动,研究了利用角度/角速相平面法来判断动导数的方法。首先在总结研究飞行器动导数测试及其相关技术的基础上,利用高速MEMS陀螺,以ARM微控制器为核心处理器,完成了测量精度、转换速率、带宽、体积及功耗等满足风洞自由飞动导数测量要求的姿态测量系统总体方案及其软硬件设计。系统采用模块化设计技术,根据功能将测试系统硬件分为角速度测试模块、自动增益调理模块、采集处理模块、无线收发模块、电源管理模块等部分;采用汇编语言与高级语言混合编程完成了系统各个功能模块的软件设计。完成了测试系统硬件加工和软硬件联合调试。其次,完成了飞行器动导数测试系统调试与校准,利用伺服电机转台对MEMS陀螺进行多组不同条件下的静态和动态校准,采集不同转速下的陀螺输出,依据最小二乘法拟合出陀螺输出运动模型;对影响陀螺测量精度的各种误差因素进行了分析研究;在现有的惯性速率机电系统无法实现较高频率角运动激励情况下,利用伺服电机直线加速方式和陀螺仪自测功能测试了陀螺仪的频率响应;采用渐消因子自适应卡尔曼滤波进行陀螺仪和加速度计数据融合,获得较为理想的姿态角动态响应,保证测试系统能可靠地应用于风洞自由飞动导数测量。最后,研究了一种不同于极大似然法的角度/角速相平面辨识动导数方法,利用飞行器动导数试验姿态角运动测试数据对该方法进行验证,结果表明,与传统的极大似然法相比,角度/角速相平面法可以快速判断动导数的极性即飞行器动稳定性。
【关键词】：MEMS陀螺 微控制器 卡尔曼滤波 动导数 相平面法
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V241.5;V211.74
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-10
• 1.1 课题研究背景和意义8
• 1.2 课题国内外研究现状8-9
• 1.3 课题研究内容及章节安排9-10
• 2 飞行器动导数测试及其相关技术10-19
• 2.1 飞行器动导数10-11
• 2.2 飞行器动导数测试技术11-12
• 2.3 陀螺仪与加速度计12-18
• 2.3.1 MEMS陀螺仪12-17
• 2.3.2 MEMS加速度计17-18
• 2.4 小结18-19
• 3 飞行器动导数测试系统设计19-44
• 3.1 系统功能及需求分析19
• 3.2 系统总体方案设计19-20
• 3.3 系统硬件设计20-31
• 3.3.1 角速度测试模块21-22
• 3.3.2 信号调理模块22-25
• 3.3.3 微控制器采集处理模块25-27
• 3.3.4 无线收发模块27-30
• 3.3.5 电源管理模块30-31
• 3.4 系统软件设计31-43
• 3.4.1 ARM7启动程序33-35
• 3.4.2 采样程序35-38
• 3.4.3 无线收发程序38-40
• 3.4.4 卡尔曼滤波程序40-43
• 3.5 小结43-44
• 4 飞行器动导数测试系统调试与校准44-60
• 4.1 调试校准设备45-46
• 4.2 静态校准46-53
• 4.2.1 零速率校准47-48
• 4.2.2 灵敏度校准48-51
• 4.2.3 温度校准51-53
• 4.3 动态调试53-59
• 4.4 小结59-60
• 5 飞行器动导数测试及辨识分析60-67
• 5.1 飞行器动导数测试结果60-61
• 5.2 动导数辨识分析61-66
• 5.2.1 极大似然法动导数辨识61-62
• 5.2.2 直接测量数据相平面法动导数辨识62-66
• 5.3 小结66-67
• 6 总结与展望67-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-72

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本文编号：670784