高动态环境下弹体姿态测量技术研究与实现
发布时间：2022-01-27 22:17
姿态测量是制导炮弹实现精确打击目标的一项关键技术,姿态测量的精度直接影响到炮弹制导的精度。因此姿态解算算法的分析和姿态测量系统的设计便成为研究制导炮弹导航制导的重要环节。本文选用陀螺仪和地磁传感器研究设计了一种组合测量制导炮弹的飞行姿态的方案,并基于DSP处理器完成了姿态解算单元的软硬件设计。本文首先介绍了陀螺仪和地磁传感器测量姿态的基本原理,针对陀螺仪,深入分析了圆锥运动下等效旋转矢量法,选用基于角速率和角增量的改进算法;针对地磁传感器,选用非正交的两个单轴地磁传感器的安装方式,在极值比值法的基础上提出精度更高的积分比值法。然后介绍了地磁陀螺仪的组合测姿算法,利用地磁数据解算出的滚转角信息对陀螺仪漂移误差进行补偿。最后详细介绍了基于TMS320F2812处理器的姿态解算单元的软硬件设计,硬件设计包括最小系统电路、片外RAM模块电路以及通信模块电路;软件设计包括了总体设计、数据通信模块以及姿态解算模块的程序设计。实验仿真表明该方案具有可行性和较高的精度。本文针对高动态环境下的制导炮弹研究和探索了一种传感器组合测姿方案,利用陀螺仪和地磁传感器互补的特性,大大提高系统精度和稳定性,故该方案...
【文章来源】：南京理工大学江苏省211工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 弹体姿态测量方法研究现状
1.3 本文主要研究内容及章节安排
2 测姿系统理论概述
2.1 常用坐标系
2.2 坐标系转换及姿态角
2.3 陀螺仪测量原理及选型
2.3.1 陀螺仪分类及工作原理
2.3.2 本文选用的弹载陀螺仪
2.4 地磁测量原理及选型
2.4.1 地磁场基本理论
2.4.2 地磁传感器分类及测姿原理
2.4.3 本文选用的地磁传感器
2.5 本章小结
3 高动态捷联惯导姿态算法及仿真
3.1 四元数法与旋转矢量法
3.1.1 四元数法
3.1.2 四元数的初始化和规范化处理
3.1.3 旋转矢量法
3.2 锥运动环境下的旋转矢量优化算法
3.2.1 经典圆锥运动
3.2.2 精度准则
3.3 基于角增量的旋转矢量法
3.4 基于角速率的旋转矢量法
3.4.1 基于角速率的双子样旋转矢量算法
3.4.2 基于角速率的圆锥运动优化算法
3.5 改进的等效旋转矢量算法
3.6 圆锥运动环境下的算法仿真
3.7 本章小结
4 地磁传感器姿态算法设计
4.1 磁传感器姿态测量的算法原理
4.2 磁传感器俯仰角算法
4.2.1 极值比值法求解俯仰角
4.2.2 积分比值法求解俯仰角
4.3 地磁传感器滚转角算法
4.4 地磁测姿仿真
4.5 本章小结
5 陀螺地磁组合姿态测量算法设计及仿真
5.1 陀螺仪与地磁传感器组合姿态算法
5.1.1 初始姿态角解算方法
5.1.2 实时姿态角解算方法
5.2 弹道及姿态算法仿真
5.2.1 生成弹道及弹体姿态数据
5.2.2 生成传感器器件数据
5.2.3 姿态解算算法仿真
5.3 本章小结
6 基于DSP的姿态解算单元软硬件设计
6.1 姿态解算单元硬件设计
6.1.1 TMS320F2812芯片介绍
6.1.2 最小系统电路设计
6.1.3 片外RAM模块设计
6.1.4 通信模块电路设计
6.2 姿态解算单元软件设计
6.2.1 软件开发环境
6.2.2 姿态解算单元软件总体设计
6.2.3 数据接收驱动软件设计
6.2.4 姿态解算模块软件设计
6.2.5 数据发送模块软件设计
6.3 测姿系统实验验证
6.3.1 上位机串口软件
6.3.2 实验验证
6.4 本章小结
7 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
致谢
参考文献
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型无陀螺捷联惯导系统导航方案设计及建模[J]. 李成刚,谢志红,尤晶晶,夏玉辉,魏学东. 中国惯性技术学报. 2015(03)
[2]基于磁强计和MEMS陀螺的弹箭姿态探测系统[J]. 杜烨,冯顺山,苑大威,方晶,郑奕. 北京理工大学学报. 2014(12)
[3]中国制导炮弹 射程堪比导弹[J]. 科学大观园. 2013(19)
[4]国外制导炮弹发展综述[J]. 白毅,仲海东,秦雅娟,夜乐萍. 飞航导弹. 2013(05)
[5]一种改进的基于红外传感器的无人机姿态测量方法[J]. 吴成富,冯喆,马松辉. 计算机测量与控制. 2013(04)
[6]高转速弹丸磁强计/太阳方位角传感器组合测姿方法[J]. 马国梁. 南京理工大学学报. 2013(01)
[7]基于炮口人工磁场的弹体滚转姿态测量技术[J]. 郭庆伟,高敏. 弹箭与制导学报. 2013(02)
[8]常规弹药转速测量方法仿真研究[J]. 尚剑宇,张晓明,黄建林,李永慧,郝智利,刘俊. 弹箭与制导学报. 2012(04)
[9]制导弹药的发展历史、研究现状及发展趋势[J]. 孙建军,李鹏,林奎,高新东. 科技信息. 2011(36)
[10]基于地磁测量的弹丸滚转角实时解算研究[J]. 吕清利,高旭东,王晓鸣,曲磬,朱亮. 弹箭与制导学报. 2011(03)
博士论文
[1]高精度全天时星敏感器关键技术研究[D]. 何家维.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
[2]旋转弹体背景磁场模型和地磁姿态测试方法研究[D]. 向超.南京理工大学 2013
[3]弹道环境下的陀螺/GPS组合姿态测量方法研究[D]. 牛春峰.南京理工大学 2012
硕士论文
[1]钟形振子式角速率陀螺振子特性研究[D]. 刘宁.北京信息科技大学 2012
[2]基于GPS与地磁组合的弹丸姿态解算方法研究[D]. 张华强.南京理工大学 2012
[3]基于磁阻与加速度传感器的弹体姿态测量系统研究[D]. 杨永鑫.南京理工大学 2010
[4]基于地磁原理的弹体滚转姿态探测装置研究[D]. 邓江涛.南京理工大学 2010
[5]制导炮弹飞行姿态的陀螺/磁阻传感器组合测量方法研究[D]. 韩艳.南京理工大学 2010
[6]舰载智能天线通信系统的关键技术研究[D]. 郝荣昌.西安电子科技大学 2010
[7]多传感器数据融合组合测量弹箭飞行姿态及误差分析[D]. 郝婷.南京理工大学 2009
[8]基于DSP的激光陀螺捷联惯导系统实时实现方法研究[D]. 李同安.国防科学技术大学 2007
本文编号：3613181
【文章来源】：南京理工大学江苏省211工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 弹体姿态测量方法研究现状
1.3 本文主要研究内容及章节安排
2 测姿系统理论概述
2.1 常用坐标系
2.2 坐标系转换及姿态角
2.3 陀螺仪测量原理及选型
2.3.1 陀螺仪分类及工作原理
2.3.2 本文选用的弹载陀螺仪
2.4 地磁测量原理及选型
2.4.1 地磁场基本理论
2.4.2 地磁传感器分类及测姿原理
2.4.3 本文选用的地磁传感器
2.5 本章小结
3 高动态捷联惯导姿态算法及仿真
3.1 四元数法与旋转矢量法
3.1.1 四元数法
3.1.2 四元数的初始化和规范化处理
3.1.3 旋转矢量法
3.2 锥运动环境下的旋转矢量优化算法
3.2.1 经典圆锥运动
3.2.2 精度准则
3.3 基于角增量的旋转矢量法
3.4 基于角速率的旋转矢量法
3.4.1 基于角速率的双子样旋转矢量算法
3.4.2 基于角速率的圆锥运动优化算法
3.5 改进的等效旋转矢量算法
3.6 圆锥运动环境下的算法仿真
3.7 本章小结
4 地磁传感器姿态算法设计
4.1 磁传感器姿态测量的算法原理
4.2 磁传感器俯仰角算法
4.2.1 极值比值法求解俯仰角
4.2.2 积分比值法求解俯仰角
4.3 地磁传感器滚转角算法
4.4 地磁测姿仿真
4.5 本章小结
5 陀螺地磁组合姿态测量算法设计及仿真
5.1 陀螺仪与地磁传感器组合姿态算法
5.1.1 初始姿态角解算方法
5.1.2 实时姿态角解算方法
5.2 弹道及姿态算法仿真
5.2.1 生成弹道及弹体姿态数据
5.2.2 生成传感器器件数据
5.2.3 姿态解算算法仿真
5.3 本章小结
6 基于DSP的姿态解算单元软硬件设计
6.1 姿态解算单元硬件设计
6.1.1 TMS320F2812芯片介绍
6.1.2 最小系统电路设计
6.1.3 片外RAM模块设计
6.1.4 通信模块电路设计
6.2 姿态解算单元软件设计
6.2.1 软件开发环境
6.2.2 姿态解算单元软件总体设计
6.2.3 数据接收驱动软件设计
6.2.4 姿态解算模块软件设计
6.2.5 数据发送模块软件设计
6.3 测姿系统实验验证
6.3.1 上位机串口软件
6.3.2 实验验证
6.4 本章小结
7 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
致谢
参考文献
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型无陀螺捷联惯导系统导航方案设计及建模[J]. 李成刚,谢志红,尤晶晶,夏玉辉,魏学东. 中国惯性技术学报. 2015(03)
[2]基于磁强计和MEMS陀螺的弹箭姿态探测系统[J]. 杜烨,冯顺山,苑大威,方晶,郑奕. 北京理工大学学报. 2014(12)
[3]中国制导炮弹 射程堪比导弹[J]. 科学大观园. 2013(19)
[4]国外制导炮弹发展综述[J]. 白毅,仲海东,秦雅娟,夜乐萍. 飞航导弹. 2013(05)
[5]一种改进的基于红外传感器的无人机姿态测量方法[J]. 吴成富,冯喆,马松辉. 计算机测量与控制. 2013(04)
[6]高转速弹丸磁强计/太阳方位角传感器组合测姿方法[J]. 马国梁. 南京理工大学学报. 2013(01)
[7]基于炮口人工磁场的弹体滚转姿态测量技术[J]. 郭庆伟,高敏. 弹箭与制导学报. 2013(02)
[8]常规弹药转速测量方法仿真研究[J]. 尚剑宇,张晓明,黄建林,李永慧,郝智利,刘俊. 弹箭与制导学报. 2012(04)
[9]制导弹药的发展历史、研究现状及发展趋势[J]. 孙建军,李鹏,林奎,高新东. 科技信息. 2011(36)
[10]基于地磁测量的弹丸滚转角实时解算研究[J]. 吕清利,高旭东,王晓鸣,曲磬,朱亮. 弹箭与制导学报. 2011(03)
博士论文
[1]高精度全天时星敏感器关键技术研究[D]. 何家维.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
[2]旋转弹体背景磁场模型和地磁姿态测试方法研究[D]. 向超.南京理工大学 2013
[3]弹道环境下的陀螺/GPS组合姿态测量方法研究[D]. 牛春峰.南京理工大学 2012
硕士论文
[1]钟形振子式角速率陀螺振子特性研究[D]. 刘宁.北京信息科技大学 2012
[2]基于GPS与地磁组合的弹丸姿态解算方法研究[D]. 张华强.南京理工大学 2012
[3]基于磁阻与加速度传感器的弹体姿态测量系统研究[D]. 杨永鑫.南京理工大学 2010
[4]基于地磁原理的弹体滚转姿态探测装置研究[D]. 邓江涛.南京理工大学 2010
[5]制导炮弹飞行姿态的陀螺/磁阻传感器组合测量方法研究[D]. 韩艳.南京理工大学 2010
[6]舰载智能天线通信系统的关键技术研究[D]. 郝荣昌.西安电子科技大学 2010
[7]多传感器数据融合组合测量弹箭飞行姿态及误差分析[D]. 郝婷.南京理工大学 2009
[8]基于DSP的激光陀螺捷联惯导系统实时实现方法研究[D]. 李同安.国防科学技术大学 2007
本文编号：3613181
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