基于MEMS器件的航向姿态测量系统的研究

发布时间：2017-04-17 06:10

  本文关键词：基于MEMS器件的航向姿态测量系统的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：航向姿态测量系统是多年来惯性技术发展的一个方向。航向姿态测量系统主要用于测量载体飞行的姿态和航向，以实现对载体的导航和控制。 本文在介绍了航向姿态测量系统的发展、应用和组成之后指出基于MEMS器件的航向姿态测量系统是一款高性能、低价位的惯性测量装置，主要由微惯性测量单元和数字磁罗盘组成。微惯性测量单元是由MEMS惯性元器件组成，在讨论和分析了MEMS惯性器件的误差形成原因之后得出系统的误差模型，并通过速率标定和位置标定进行系统误差模型的系数分离。 基于MEMS器件的航向姿态测量系统可精确测量载体在空间生标系中姿态、角速率和线加速度。根据捷联算法计算出载体的姿态，采用FIR数字滤波和卡尔曼滤波进行误差补偿保证在动态环境下的可靠性和测量精度。 MEMS陀螺仪和MEMS加速度计是基于MEMS器件的航向姿态测量系统的主要传感器，它们的精度也影响着整个系统精度和性能。传统的惯性敏感元器件的测试一直都是有针对性的测试，代价较高也比较费时，难以实现MEMS惯性敏感元器件的批量测试。本论文在传统测试的基础上，基于VB 6.0开发出一套MEMS陀螺仪的自动化测试系统，在这套自动化测试系统中可以方便的设置MEMS陀螺仪的量程、MEMS陀螺仪的选点、MEMS陀螺仪选点之间的间隔时间、转台的转速等等，实现了MEMS陀螺仪的小批量测试。 考虑到航向姿态测量系统实现中信息融合算法的计算显相当大，对数据处理的速度要求也很苛刻。寻求一种性价比高、体积小、高速、高效的微处理芯片来实现上述算法也很有必要。因此，本论文用DSP代替导航计算机，采用了TI公司的TMS320VC33芯片。 最后，，本论文在系统样机研制成功之后进行了系统的振动实验、高低温实验和跑车实验来验证系统的精度达到了预期要求。同时，通过这一系列的实物实验，证明了本文提出的基于MEMS器件的航向姿态测量系统这个设计方案的可行性，使日后的工作可以有目的地开展。
【关键词】：航向姿态测量系统 MEMS器件 微惯性测量单元 数字磁罗盘 FIR数字滤波 卡尔曼滤波 TMS320VC33
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH703
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 航向姿态测量系统的发展与应用9-11
• 1.2 MEMS技术的发展现状及MEMS惯性器件的应用11-15
• 1.2.1 MEMS技术的发展现状11-14
• 1.2.2 MEMS惯性器件的应用14-15
• 1.3 课题研究的背景15-16
• 1.4 论文研究内容及主要工作16-19
• 第2章 航向姿态测量系统的工作原理及组成19-25
• 2.1 航向姿态测量系统概述19-20
• 2.2 航向姿态测量系统的工作原理20-21
• 2.3 航向姿态测量系统的组成21-25
• 第3章 航向姿态测量系统的误差分析25-47
• 3.1 航向姿态测量系统误差的分类25-26
• 3.2 陀螺仪及加速度计的数学模型分析26-33
• 3.3 MEMS陀螺仪的速率标定33-40
• 3.4 MEMS加速度计的位置标定40-47
• 第4章 航向姿态测量系统的算法实现47-63
• 4.1 惯性导航系统常用坐标系47-48
• 4.2 航向姿态测量系统的坐标变换48-51
• 4.3 常用的几种捷联姿态算法51-54
• 4.3.1 欧拉角法(三参数法)52
• 4.3.2 方向向余弦法(九参数法)52-53
• 4.3.3 四元数法(四参数法)53-54
• 4.4 系统的初始对准54-55
• 4.5 滤波设计55-63
• 4.5.1 FIR数字滤波器设计57
• 4.5.2 卡尔曼滤波设计57-63
• 第5章 基于MEMS器件与DSP的航向姿态测量系统设计63-83
• 5.1 MEMS惯性器件的工作原理63-67
• 5.2 数字磁罗盘HMR-3000简介67-69
• 5.3 数字信号处理器概述69-72
• 5.3.1 数字信号处理的特点69-70
• 5.3.2 数字信号处理器的发展70-71
• 5.3.3 数字信号处理器的分类71-72
• 5.4 TMS320VC33高速浮点数字信号处理器72-75
• 5.4.1 TMS320VC33概述72
• 5.4.2 TMS320VC33的CPU寄存器72-73
• 5.4.3 TMS320VC33应用系统的设计开发过程73-75
• 5.5 航向姿态测量系统硬件设计75-83
• 5.5.1 系统的总体要求75-76
• 5.5.2 硬件电路结构76-77
• 5.5.3 AD转换电路77-79
• 5.5.4 TMS320VC33的片外扩展79
• 5.5.5 电源模块设计79-80
• 5.5.6 数字信号输出电路80-83
• 第6章 航向姿态测量系统的MEMS陀螺仪自动化测试83-95
• 6.1 Microsoft Visual Basic 6.0简介83
• 6.2 MEMS陀螺仪的自动化测试软件设计83-95
• 6.2.1 MEMS陀螺仪速率实验测试85-88
• 6.2.2 MEMS陀螺仪分辨率实验测试88-90
• 6.2.3 MEMS陀螺仪漂移实验测试90-95
• 第7章 航向姿态测量系统的实验及分析95-117
• 7.1 航向姿态测量系统的物理特性95-96
• 7.2 微惯性测量单元的标定实验及分析96-106
• 7.2.1 MEMS陀螺仪的标定实验及分析97-101
• 7.2.2 MEMS加速度计的标定实验及分析101-106
• 7.3 微惯性测量系统的振动实验及分析106-108
• 7.4 微惯性测量系统的高低温实验及分析108-113
• 7.5 航向姿态测量系统跑车实验及分析113-117
• 总结117-119
• 附录1119-121
• 参考文献121-125
• 发表论文和参加科研情况说明125-127
• 发表论文情况:125-127
• 致谢127-128

【引证文献】

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本文编号：312595