基于MEMS惯性器件的姿态测量系统的研究
发布时间：2021-11-07 17:34
姿态测量是对载体姿态实现控制的前提,随着导航系统的不断发展,对姿态测量的精度以及实时性提出了更高的要求。本文设计了一个基MEMS惯性器件的姿态测量系统,以惯性传感器ADIS16488为惯性测量单元,以Zynq作为硬件平台,完成了对姿态信息的采集以及解算。本文主要从姿态解算算法以及硬件平台的搭建两个方面进行了深入的研究。首先介绍了姿态测量系统的工作原理以及基本理论,包含了几种惯性坐标系和姿态矩阵的建立。针对MEMS陀螺仪单独工作时的姿态解算算法进行了对比试验,分析了使用四元数法和欧拉角法来对姿态矩阵进行即时更新的优缺点,结合MEMS加速度计以及磁强计组合测姿时输出的姿态角的情况,采用基于卡尔曼滤波算法的信息融合方法来提高系统测姿的精度。介绍了速度解算原理,同时介绍了姿态测量系统的初始对准技术,包括粗对准和精对准技术。其次对惯性测量单元中的各个MEMS传感器建立了误差模型,并进行了误差分析。然后,搭建了系统的硬件平台,采用Zynq芯片内部的PL（Programmable Logic）来完成对惯性传感器输出的姿态信息的采集,采用Zynq内部的PS（Processing System）完成姿态...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
1.2 MEMS惯性技术的国内外发展现状
1.3 本文研究内容及安排
2 姿态测量系统的算法研究
2.1 测量系统的惯性坐标系
2.2 惯组姿态测量系统的坐标转换
2.2.1 方向余弦矩阵法坐标转换
2.2.2 四元数法坐标转换
2.3 姿态矩阵的即时更新算法比较
2.3.1 欧拉角法
2.3.2 四元数法
2.3.3 基于陀螺仪的即时更新算法的实验对比
2.4 加速度计和磁强计的组合测姿
2.5 姿态测量系统的初始对准
2.6 MEMS惯性测量单元的信号处理
2.6.1 陀螺仪的工作原理及误差模型
2.6.2 加速度计的工作原理及误差模型
2.6.3 磁强计的工作原理及误差模型
2.6.4 MEMS惯性姿态测量系统的误差分析
2.6.5 卡尔曼滤波
2.6.6 实验分析
2.7 速度解算
2.8 位置解算
2.9 本章小结
3 姿态测量系统的硬件平台搭建
3.1 MEMS惯性测量单元
3.1.1 惯性器件选型
3.1.2 惯性传感器ADIS16488 的寄存器结构
3.1.3 SPI通信
3.2 姿态测量系统的处理器
3.2.1 微处理器选型
3.2.2 AXI总线协议
3.2.3 Zynq软硬件协同开发
3.3 本章小结
4 姿态测量系统的软件设计
4.1 姿态测量系统的平台搭建
4.2 PL部分的逻辑仿真
4.3 PS与 PL的通信设计
4.4 PS部分的设计
4.4.1 姿态解算模块设计
4.4.2 UART模块设计
4.4.3 ZYNQ-7000 的启动
4.5 上位机软件设计
4.6 本章小结
5 系统性能测试
5.1 AXI DMA通信测试
5.2 惯性传感器信号采集
5.3 系统静态测试
5.4 系统动态测试
5.5 速度解算分析
5.6 位置解算分析
5.7 本章小结
6 总结和展望
6.1 总结
6.2 工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Zynq的AXI总线数据传输软件优化[J]. 吴汶泰,詹璨铭. 通信技术. 2017(07)
[2]基于组合导航的汽车姿态数据采集系统设计[J]. 王贇贇,李建民,侯文. 电子产品世界. 2017(01)
[3]基于Zynq-7000 FPGA的高速信号采集处理平台[J]. 李正轩,费树岷. 单片机与嵌入式系统应用. 2016 (02)
[4]小波分析算法在图像处理中的研究与应用[J]. 花璐,韩超杰,丁一珂. 中国新通信. 2015(19)
[5]基于微惯性技术的室内定位理论及应用[J]. 孙伟,丁伟,徐爱功,闫慧芳,李瑞豹. 测绘与空间地理信息. 2015(09)
[6]基于ZYNQ-7000 DMA控制器的UART数据传输的设计与实现[J]. 夏柯,门兰宁. 信息系统工程. 2014(09)
[7]基于Zynq-7000高速图像采集与实时处理系统[J]. 杨晓安,罗杰,苏豪,包文博. 电子科技. 2014(07)
[8]基于MEMS的低成本SINS/GPS组合导航系统研究[J]. 赵岩,程烘炳,吴训忠,宋桀. 传感器与微系统. 2011(08)
[9]激光陀螺单轴旋转惯性导航系统[J]. 龙兴武,于旭东,张鹏飞,王宇,汤建勋. 中国惯性技术学报. 2010(02)
[10]基于IMU旋转的捷联惯导系统自补偿方法[J]. 孙枫,孙伟,郭真. 仪器仪表学报. 2009(12)
博士论文
[1]多旋翼无人机的姿态与导航信息融合算法研究[D]. 张欣.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[2]船用卫星天线微型姿态测量系统关键技术研究[D]. 刘付强.哈尔滨工程大学 2008
[3]捷联惯性导航系统关键技术研究[D]. 杨艳娟.哈尔滨工程大学 2001
硕士论文
[1]基于ZYNQ的小卫星姿控电模拟器设计及验证[D]. 刘欢.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于Zynq-7000的星图识别系统的设计与实现[D]. 赵树新.北京工业大学 2016
[3]微惯性姿态测量系统的MEMS传感器校准与补偿算法研究[D]. 龚大伟.重庆邮电大学 2016
[4]基于ADIS16488 MEMS惯性组合姿态测量设计与研究[D]. 杨阳.中北大学 2015
[5]地磁/陀螺信息融合的姿态解算算法研究[D]. 王嘉雨.中北大学 2015
[6]基于MEMS惯性器件的小型姿态测量系统设计[D]. 梁锋.哈尔滨工程大学 2011
[7]基于MEMS器件的姿态测量系统研究与实现[D]. 崔璐璐.大连理工大学 2009
本文编号：3482267
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
1.2 MEMS惯性技术的国内外发展现状
1.3 本文研究内容及安排
2 姿态测量系统的算法研究
2.1 测量系统的惯性坐标系
2.2 惯组姿态测量系统的坐标转换
2.2.1 方向余弦矩阵法坐标转换
2.2.2 四元数法坐标转换
2.3 姿态矩阵的即时更新算法比较
2.3.1 欧拉角法
2.3.2 四元数法
2.3.3 基于陀螺仪的即时更新算法的实验对比
2.4 加速度计和磁强计的组合测姿
2.5 姿态测量系统的初始对准
2.6 MEMS惯性测量单元的信号处理
2.6.1 陀螺仪的工作原理及误差模型
2.6.2 加速度计的工作原理及误差模型
2.6.3 磁强计的工作原理及误差模型
2.6.4 MEMS惯性姿态测量系统的误差分析
2.6.5 卡尔曼滤波
2.6.6 实验分析
2.7 速度解算
2.8 位置解算
2.9 本章小结
3 姿态测量系统的硬件平台搭建
3.1 MEMS惯性测量单元
3.1.1 惯性器件选型
3.1.2 惯性传感器ADIS16488 的寄存器结构
3.1.3 SPI通信
3.2 姿态测量系统的处理器
3.2.1 微处理器选型
3.2.2 AXI总线协议
3.2.3 Zynq软硬件协同开发
3.3 本章小结
4 姿态测量系统的软件设计
4.1 姿态测量系统的平台搭建
4.2 PL部分的逻辑仿真
4.3 PS与 PL的通信设计
4.4 PS部分的设计
4.4.1 姿态解算模块设计
4.4.2 UART模块设计
4.4.3 ZYNQ-7000 的启动
4.5 上位机软件设计
4.6 本章小结
5 系统性能测试
5.1 AXI DMA通信测试
5.2 惯性传感器信号采集
5.3 系统静态测试
5.4 系统动态测试
5.5 速度解算分析
5.6 位置解算分析
5.7 本章小结
6 总结和展望
6.1 总结
6.2 工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Zynq的AXI总线数据传输软件优化[J]. 吴汶泰,詹璨铭. 通信技术. 2017(07)
[2]基于组合导航的汽车姿态数据采集系统设计[J]. 王贇贇,李建民,侯文. 电子产品世界. 2017(01)
[3]基于Zynq-7000 FPGA的高速信号采集处理平台[J]. 李正轩,费树岷. 单片机与嵌入式系统应用. 2016 (02)
[4]小波分析算法在图像处理中的研究与应用[J]. 花璐,韩超杰,丁一珂. 中国新通信. 2015(19)
[5]基于微惯性技术的室内定位理论及应用[J]. 孙伟,丁伟,徐爱功,闫慧芳,李瑞豹. 测绘与空间地理信息. 2015(09)
[6]基于ZYNQ-7000 DMA控制器的UART数据传输的设计与实现[J]. 夏柯,门兰宁. 信息系统工程. 2014(09)
[7]基于Zynq-7000高速图像采集与实时处理系统[J]. 杨晓安,罗杰,苏豪,包文博. 电子科技. 2014(07)
[8]基于MEMS的低成本SINS/GPS组合导航系统研究[J]. 赵岩,程烘炳,吴训忠,宋桀. 传感器与微系统. 2011(08)
[9]激光陀螺单轴旋转惯性导航系统[J]. 龙兴武,于旭东,张鹏飞,王宇,汤建勋. 中国惯性技术学报. 2010(02)
[10]基于IMU旋转的捷联惯导系统自补偿方法[J]. 孙枫,孙伟,郭真. 仪器仪表学报. 2009(12)
博士论文
[1]多旋翼无人机的姿态与导航信息融合算法研究[D]. 张欣.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[2]船用卫星天线微型姿态测量系统关键技术研究[D]. 刘付强.哈尔滨工程大学 2008
[3]捷联惯性导航系统关键技术研究[D]. 杨艳娟.哈尔滨工程大学 2001
硕士论文
[1]基于ZYNQ的小卫星姿控电模拟器设计及验证[D]. 刘欢.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于Zynq-7000的星图识别系统的设计与实现[D]. 赵树新.北京工业大学 2016
[3]微惯性姿态测量系统的MEMS传感器校准与补偿算法研究[D]. 龚大伟.重庆邮电大学 2016
[4]基于ADIS16488 MEMS惯性组合姿态测量设计与研究[D]. 杨阳.中北大学 2015
[5]地磁/陀螺信息融合的姿态解算算法研究[D]. 王嘉雨.中北大学 2015
[6]基于MEMS惯性器件的小型姿态测量系统设计[D]. 梁锋.哈尔滨工程大学 2011
[7]基于MEMS器件的姿态测量系统研究与实现[D]. 崔璐璐.大连理工大学 2009
本文编号：3482267
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