微型航姿系统的设计与姿态解算算法研究

发布时间：2017-08-22 11:22

  本文关键词：微型航姿系统的设计与姿态解算算法研究

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【摘要】：姿态测量为导航和控制提供了精确的参考信息。传统的航姿参考系统虽然具有精度高的优势,但其体积大成本高的特点限制了航姿参考系统在民用领域的推广,只能应用于军用领域。但随着近几年民用领域对航姿参考系统的需求不断增加,比如机器人、无人机、船舶导航、三维游戏仿真等领域。在MEMS惯性传感器快速发展的历史背景下,使得开发一款低成本小型化航姿参考系统成为了可能。本文依托实验室在研项目,开展了基于多元传感器的微型航姿参考系统的课题研究。本课题研制的微型航姿系统具有小型化、成本低、精度高等特点。首先,对本论文的研究背景及及意义进行了详细介绍,综述国内外惯性导航、MEMS传感器、航姿参考系统的发展状况。最后列出了本文的研究内容以及本论文的章节安排。其次,对微型航姿系统的基本原理进行了阐述,其中包括几种坐标系的定义以及载体的姿态表示、姿态方程以及常用的坐标系变换、惯导系统的基本方程、捷联式导航系统的基本原理,为课题的继续开展提供了理论基础。再次,给出了系统的整体设计方案,基于体积小、精度高,功耗低设计原则,搭建了基于ARM和多元传感器的硬件平台。完成对航姿系统实验样机的研制,并对构成航姿系统的主要功能模块进行了调试。最后,对姿态解算算法进行了介绍,通过分析了算法的优劣性,选择基于四元数的扩展卡尔曼滤波姿态融合算法,该算法将陀螺仪、磁力计和加速度计进行数据融合。对应用该算法研制的实验样机进行静态实验、定点转停实验、摇摆实验、复合运动进行实验验证,实验表明微型航姿系统在静态环境下,航向角偏差为??1,横滚角和俯仰角角偏差为??0.5,在动态实验下,航向角的偏差为??3,俯仰角和横滚角偏差为??1,将自主研发的微型航姿系统与目前国内设计的两款航姿系统进行性能对比,比较表明自主研发的微型航姿系统可以满足工程应用。达到设计前的预期。
【关键词】：MEMS惯性传感器 航姿参考系统 姿态解算 四元数 扩展卡尔曼滤波
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN96
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 注释表10-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 捷联惯性导航的发展概况12-13
• 1.2.2 MEMS传感器的发展概况13
• 1.2.3 航姿系统的发展概况13-15
• 1.3 本文主要研究工作及结构安排15-17
• 第2章 微型航姿参考系统基本理论17-27
• 2.1 几种常用坐标系17-19
• 2.2 载体的姿态表示19-20
• 2.3 载体的姿态矩阵与坐标变换20-22
• 2.4 惯导系统的基本方程22-24
• 2.5 载体的姿态方程24
• 2.6 捷联式惯导系统原理24-26
• 2.7 本章小结26-27
• 第3章 微型航姿参考系统硬件平台设计27-48
• 3.1 概述27
• 3.2 微型航姿参考系统的总体设计方案27-28
• 3.3 MEMS传感器的工作原理和性能指标28-33
• 3.3.1 陀螺仪28-30
• 3.3.2 加速度计30-32
• 3.3.3 磁力计32
• 3.3.4 气压计32-33
• 3.4 系统硬件的选型和性能介绍33-37
• 3.4.1 中央处理器33-34
• 3.4.2 MEMS惯性传感器34-35
• 3.4.3 其他传感器芯片35-37
• 3.5 微航姿系统的硬件实现37-47
• 3.5.1 系统模块原理图设计38-43
• 3.5.2 系统模块PCB优化设计43-44
• 3.5.3 系统抗干扰能力及可靠性设计44
• 3.5.4 系统硬件调试流程44-45
• 3.5.5 系统功耗测试45-46
• 3.5.6 微航姿参考系统样机46-47
• 3.6 本章小结47-48
• 第4章 航姿系统姿态解算算法研究48-69
• 4.1 姿态矩阵更新算法48-51
• 4.1.1 欧拉角法解算姿态角48-49
• 4.1.2 方向余弦法解算姿态角49-50
• 4.1.3 四元数法解算姿态角50-51
• 4.2 姿态解算算法选择51-52
• 4.3 卡尔曼融合算法52-58
• 4.3.1 卡尔曼滤波理论52-53
• 4.3.2 经典卡尔曼融合算法53-55
• 4.3.3 扩展卡尔曼融合算法55-56
• 4.3.4 Unscented卡尔曼融合算法56-58
• 4.3.5 融合算法选择58
• 4.4 微型航姿参考系统初对准算法设计58-68
• 4.4.1 加速度测量姿态58-59
• 4.4.2 磁力计测量航向59-61
• 4.4.3 陀螺仪定姿算法61-62
• 4.4.4 基于自适应扩展卡尔曼滤波四元数的姿态融合算法62-64
• 4.4.5 算法中修正因子的确定64-66
• 4.4.6 微型航姿系统姿态解算算法实现66-67
• 4.4.7 姿态解算算法验证67-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第5章 航姿系统的软件实现以及性能评价69-85
• 5.1 航姿系统的底层软件的实现69-73
• 5.1.1 嵌入式软件设计流程70
• 5.1.2 嵌入式软件具体设计70-72
• 5.1.3 底层程序实现的重难点72-73
• 5.2 在线校准上位机软件73-74
• 5.3 通信协议的数据解析74-75
• 5.4 航姿系统性能测试75-83
• 5.4.1 实验测试平台75-76
• 5.4.2 系统静态实验76-78
• 5.4.3 系统定点转停实验78-80
• 5.4.4 摇摆运动测试80-82
• 5.4.5 复合运动测试82-83
• 5.5 性能对比83-84
• 5.6 本章小结84-85
• 第6章 总结与展望85-87
• 6.1 本文工作总结85-86
• 6.2 未来工作展望86-87
• 参考文献87-91
• 致谢91-92
• 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果92

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：718847