基于MEMS惯性器件的两轴稳定平台研究

发布时间：2017-04-19 16:21

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【摘要】：稳定平台能有效隔离运动平台扰动、使灵动载荷相对惯性空间保持稳定,常用于视轴稳定、相对姿态稳定、方位跟踪等用途,应用领域广泛、前景广阔,目前平台稳定系统姿态检测以成本较高的光学陀螺为主要检测元件,不利于稳定平台的推广应用,本文据此背景在调研和查阅了大量资料的基础上,以价格较低、易批量化生产的MEMS惯性器件作为姿态检测部件,并以此为基础设计了一种小型化的平台稳定系统,系统利用MEMS陀螺和加速度计对平台姿态信息进行检测,然后根据二者传感信息解算平台姿态角,利用控制策略控制平台动力系统使其保持平稳。 论文首先论述了所设计两轴稳定平台的结构和工作原理,对本文所述的平台稳定系统的控制系统构成做了详细描述。然后,针对控制系统所包含的姿态检测和姿态解算与控制两大部分的设计分别予以展开论述。 在硬件方面,重点介绍了包括主控制器最小系统、惯性器件信号采集电路、数据传输电路、平台动力系统控制电路在内的器件选型和电路设计依据。软件方面,介绍了MEMS惯性器件的噪声分析以及信号处理方法。分析了以陀螺和加速度计为基础的姿态角解算方法,针对不同的姿态解算方法,利用实验测试数据进行了解算效果对比,最终确定了以互补融合算法为基础的数据解算实现方法。紧接着,论述了利用姿态角信息进行稳定平台姿态控制的控制模型及实现方法。 对姿态检测单元尤其是MEMS陀螺的标定测试方法进行了详细的描述,给出了测试结果,并对数据处理前后的效果进行了对比分析。最后,对稳定平台系统进行了基本的稳定测试,并对测试结果进行了相关分析。
【关键词】：MEMS 惯性技术 陀螺 稳定平台 Kalman滤波
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP273;TH703
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 课题的研究背景、目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势10-16
• 1.2.1 MEMS惯性器件的发展现状10-13
• 1.2.2 惯性稳定平台的发展现状13-16
• 1.3 论文主要研究内容和章节安排16-18
• 第二章 平台稳定系统的总体设计18-34
• 2.1 稳定平台系统设计18-22
• 2.1.1 稳定平台的工作原理18-20
• 2.1.2 稳定平台结构设计20
• 2.1.3 稳定平台控制系统设计20-22
• 2.2 姿态检测模块电路设计22-31
• 2.2.1 姿态检测模块主控单元设计22-24
• 2.2.2 MEMS惯性器件选型24-25
• 2.2.3 MEMS惯性器件信号检测电路设计25-30
• 2.2.4 姿态检测模块通信电路设计30-31
• 2.3 稳定平台姿态控制与通信模块设计31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 平台姿态信息检测与数据融合34-48
• 3.1 MEMS惯性器件信号误差分析34-36
• 3.2 MEMS陀螺信号处理36-41
• 3.2.1 经典Kalman滤波算法基本原理37-39
• 3.2.2 ARMA建模与数据处理39-41
• 3.3 数据融合与姿态解算41-47
• 3.3.1 基于独立惯性器件的姿态解算算法42-44
• 3.3.2 Kalman滤波算法在姿态解算中的应用44-45
• 3.3.3 互补滤波算法在姿态解算中的应用45-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 系统软件与控制方法研究48-56
• 4.1 姿态检测单元控制系统及外设驱动程序设计48-53
• 4.1.1 姿态检测单元控制系统设计48-49
• 4.1.2 AD转换驱动程序设计49-50
• 4.1.3 MEMS陀螺和加表的SPI通信程序设计50-51
• 4.1.4 姿态检测单元数据传输软件设计51-53
• 4.2 稳定控制系统软件设计53-55
• 4.2.1 稳定控制模块软件设计53-54
• 4.2.2 舵机控制软件设计54-55
• 4.3 本章小结55-56
• 第五章 稳定平台系统测试与结果分析56-61
• 5.1 MEMS陀螺的测试与标定56-59
• 5.2 平台稳定系统测试59-60
• 5.3 本章小结60-61
• 第六章 总结与展望61-63
• 参考文献63-66
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研工作66-68
• 致谢68

【参考文献】

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1 郭晓鸿;杨忠;陈U

本文编号：316685