基于ADIS16488 MEMS惯性组合姿态测量设计与研究

发布时间：2017-04-11 00:14

  本文关键词：基于ADIS16488 MEMS惯性组合姿态测量设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：MEMS陀螺仪由于具有体积小，成本低，高集成，可靠性高等优点近年来被广泛运用在航空，航天，航海，军用坦克，潜艇，及各种型号的导弹上。然而MEMS陀螺仪精度低，长时间工作存在测量精度漂移，需要通过其他惯性传感器进行误差补偿。基于此本文设计了以微惯性组合测量单元ADIS16488为核心，TMS320F2812DSP为导航计算机的惯性导航姿态测量系统。通过对传感器数据的采集解算载体姿态，利用串口通信将解算数据发送至PC机，实现对载体姿态的实时显示。 文中首先介绍了惯性姿态测量系统基本理论及姿态确定算法原理。通过对导航姿态确定算法的研究，采用四元数法对陀螺仪输出信号进行姿态解算，并设计了卡尔曼滤波器，利用加速度计和磁强计解算的载体姿态对陀螺仪解算的姿态进行修正。 为了降低MEMS惯性器件的测量误差，本文根据MEMS惯性器件的原理建立其误差模型，并利用小波变换技术，对ADIS16488MEMS陀螺仪的输出信号进行降噪处理。经过实验分析，本文提出的小波降噪技术对MEMS陀螺仪输出进行降噪效果较好，MEMS陀螺仪零点输出误差范围有效缩小。 本文所设计惯性组合姿态测量系统硬件由传感器数据传输模块、导航计算机模块、RS-232串口通信模块以及外围电路模块等组成。软件部分通过TMS320F2812DSP实现传感器数据处理、载体姿态解算，串口通信等功能。本文给出了系统硬件原理图，软件各个模块流程图及部分程序，并进行了相应的阐述。 最后，通过对系统静态姿态漂移情况分析及低动态姿态发散分析对本文所设计惯组姿态测量系统进行了性能验证。实验最终结果表明，本文所设计惯组姿态测量系统工作可靠，姿态输出精度高，适用于车载导航、无人机导航等领域。
【关键词】：MEMS惯性器件 姿态解算 卡尔曼滤波 DSP
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN96
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 惯性技术10-11
• 1.2 惯性姿态测量系统11
• 1.3 MEMS 惯性传感器的发展现状11-13
• 1.4 MEMS 惯性组合测量系统应用背景13
• 1.5 惯性导航系统基本工作原理13-14
• 1.6 本文主要工作14-15
• 2 姿态测量系统理论及工作原理15-32
• 2.1 引言15
• 2.2 姿态测量系统基本理论15-21
• 2.2.1 惯导系统常用坐标系15-18
• 2.2.1.1 地心惯性坐标系15-16
• 2.2.1.2 地球坐标系16
• 2.2.1.3 地理坐标系16-17
• 2.2.1.4 载体坐标系17
• 2.2.1.5 平台坐标系17-18
• 2.2.2 惯导系统基本方程18-19
• 2.2.3 惯导坐标系转换19-20
• 2.2.4 捷联矩阵20-21
• 2.3 姿态测量系统基本工作原理21-29
• 2.3.1 惯导系统粗对准21-23
• 2.3.2 欧拉角法23
• 2.3.3 四元数法23-25
• 2.3.3.1 四元数定义23-24
• 2.3.3.2 四元数的运算24
• 2.3.3.3 四元数运算法则24-25
• 2.3.3.4 四元数转动的微分方程25
• 2.3.4 求解四元数微分方程25-27
• 2.3.4.1 毕卡增量法25-26
• 2.3.4.2 四阶龙格库塔法26-27
• 2.3.5 四元数跟捷联矩阵的关系27-28
• 2.3.6 等效旋转矢量法28-29
• 2.4 卡尔曼滤波29-31
• 2.5 本章小结31-32
• 3 惯性 MEMS 器件的误差建模及信号降噪32-42
• 3.1 MEMS 惯性器件工作原理及误差模型32-34
• 3.1.1 微机械陀螺仪32
• 3.1.2 微机械陀螺仪误差模型32-33
• 3.1.3 微机械加速度计33
• 3.1.4 微机械加速度计误差模型33-34
• 3.1.5 磁强计34
• 3.2 陀螺仪漂移分析34-35
• 3.3 小波分析及信号降噪方法35-41
• 3.3.1 小波变换及其逆变换35-37
• 3.3.2 mallat 算法37-39
• 3.3.3 小波阀值降噪算法39-40
• 3.3.4 MEMS 陀螺仪降噪实验40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 基于 ADIS16488 姿态测量系统设计42-63
• 4.1 惯性测量单元42-48
• 4.1.1 ADIS16488 功能参数42-44
• 4.1.2 传感器寄存器结构44-45
• 4.1.3 传感器 SPI 通信45-47
• 4.1.4 传感器数字信号处理47-48
• 4.2 微处理器选型48-49
• 4.3 惯性组合姿态测量总体设计方案49-50
• 4.4 惯组姿态测量硬件电路设计50-55
• 4.4.1 电源模块50-51
• 4.4.2 数据采集通信模块51-52
• 4.4.3 串口通信模块52-53
• 4.4.4 微处理器外围电路53-55
• 4.5 惯组姿态测量系统软件设计55-62
• 4.5.1 姿态解算软件总体方案55-56
• 4.5.2 基于 CCS3.3 的 DSP 应用程序开发平台56-58
• 4.5.3 软件模块设计58-62
• 4.6 本章小结62-63
• 5 惯性组合姿态测量系统性能测试63-68
• 5.1 传感器性能测试63-64
• 5.2 系统静态测试64-65
• 5.3 系统低动态测试65-67
• 5.4 本章小结67-68
• 6 总结和展望68-70
• 6.1 论文总结68-69
• 6.2 工作展望69-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果74-75
• 附录 A：惯组姿态测量系统原理图75-76
• 附录 B：惯组姿态测量系统实物图76-77
• 附录 C：惯组姿态测量系统上位机截图77-78
• 致谢78-79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：297841