基于MEMS器件的惯性测量系统设计
发布时间：2021-07-25 18:03
随着科技的发展,微机电系统MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技术不断进步,MEMS惯性器件的精度和稳定性得到了很大的提高,基于MEMS器件的惯性测量系统具有体积小、成本低、功耗低的特点,同时作为惯性导航技术的重要硬件基础,逐渐成为研究的热点领域,无论是理论上的探索还是实践领域的应用,都得到了广泛的关注和重视。而加速度计和陀螺仪无疑是当前阶段应用最为广泛的两种MEMS惯性传感器件。其中,加速度计是用于测量轴向加速度并转换成可用输出信号的传感器;陀螺仪是测量运动体相对于惯性空间的旋转角速度的传感器。在一个系统中上集成三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪,可以组合形成一个测量载体三轴方向的加速度和三轴方向的角速度的惯性测量系统,该系统在航空航天、军事及民事领域都有十分广泛的应用。本文围绕惯性测量系统的基本原理及应用展开研究,设计实现了基于MEMS器件的惯性测量系统。利用该系统提供系统惯性测量数据信息和解算输出姿态角功能。主要研究内容如下:首先,对该系统的结构特征加以针对性的分析,确定了系统硬件主要由微控制器STM32F103芯片、三轴MEMS加速度...
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
惯性测量系统组成图
西南大学硕士学位论文10卡尔曼滤波对其进行优化和校正。图2.2为本惯性测量系统的姿态角解算过程。在实际的应用过程中，通过陀螺仪所提供的角速度数据对姿态角进行解算，然后对比加速度计所提供数据解算出的姿态角，将两者结果做差得到误差数值，然后利用卡尔曼滤波器对其加以进一步的校正，最终生成我们所需要的高精度姿态角数据。一方面，陀螺仪的应用，为系统整体动态性能的提升提供了强有力的支持；另一方面，加速度计的应用，为陀螺仪零点漂移的消除提供了必要的支持。因此，不仅可以为系统整体导航精度的提升奠定坚实的基础，同时对于系统整体稳定性的提升也同样有着重要的积极作用。本文所设计并实现的这套惯性测量系统，提供了基于陀螺仪的姿态解算方法和基于加速度计和陀螺仪相结合的姿态角解算方法这两种不同的方法。第二种方法需要卡尔曼滤波器对其姿态角误差进行校正，并借鉴重力场变化情况进一步补偿陀螺仪积分漂移，因此基于第二种方法的惯性测量系统整体测量精度更为理想，本文将在第三章中对这种方法加以更为全面的论述。图2.2姿态角解算过程2.3惯性测量系统基础2.3.1惯性导航常用坐标系1.地心惯性坐标系（i系）—iiiOXYZ以牛顿第一定律所构建的惯性坐标系，本身不仅无加速度运动，而且也不会围绕某一轴旋转，从本质上来说是一种始终保持均速直线或者绝对静止的坐标系。不过这一表述实际上没有考虑对地球自转和公转以及宇宙空间中整体位置所具有的影响。按照既往研究习惯，惯性坐标系的原点一般设置为地球的中心O，地球北极到该点的连线为iOZ轴，春分点和该点的连线为iOX轴，iOY与iOZ轴以及iOX共同围绕成为一个典型的右手坐标系。2.地球坐标系（e系）—eeeOXYZ这套坐标系和上文中我们所介绍的地心惯性
西南大学硕士学位论文12：所在地区的水平面和载体横轴之间所构成的夹角，向水平面右侧倾斜为正角度；反之则为负角度，取值范围为[180180聃]。：所在地区的水平面和载体纵轴之间所构成的夹角，向水平面右侧倾斜为正角度；反之则为负角度，取值范围为[9090]。：本初子午线和载体纵轴在当地水平面上的投影所构成的夹角，向北方顺时针旋转为正角度，反之则为负角度，取值范围为[0360へ]。导航坐标系nnnOXYZ到载体坐标系bbbOXYZ的变换矩阵，通常可以采用方向余弦矩阵bnC。由于两者均属于正交坐标系，所以有C1CT=。所以我们可以将变换矩阵简化表示为：()()1TbnnnbbCCC==(2.1)姿态矩阵可由导航坐标系nnnOXYZ经过三次旋转可以得到载体坐标系bbbOXYZ，转换顺序可表示为n12111222XYnnnbbbOXYZOXYZOXYZOXYZ→→→绕-Z旋转绕轴旋转绕轴旋转旋转坐标系如图2.3所示。图2.3导航坐标系和载体坐标系的旋转关系每个变换矩阵分别对应一次旋转，所以有：1cossin0sincos0001nC=(2.2)211000cossin0sincosC=(2.3)
【参考文献】：
期刊论文
[1]均值滤波和形态学在振荡脉搏波提取中应用[J]. 张笑东,蒲宝明,霍红,李相泽,李姣姣. 计算机系统应用. 2016(02)
[2]基于LabVIEW的高速三维扫频光学相干层析成像系统[J]. 王玲,朱海龙,涂沛,吴开华. 中国激光. 2014(07)
[3]基于LabVIEW和Matlab虚拟实验室的实现[J]. 赵莉华,张亚超,金阳,梁勇,任泽生. 实验室研究与探索. 2014(04)
[4]基于STM32的多路电压采集研究[J]. 宋敬卫,付广春,马献国. 电子世界. 2013(12)
[5]基于卡尔曼滤波算法的弹箭飞行姿态测试方法[J]. 王勇贞. 山西电子技术. 2013(02)
[6]Robust fault detection filter and its application in MEMS-based INS/GPS[J]. Jing Shi1,*,Lingjuan Miao1,and Maolin Ni2 1.Institute of Automation,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,P.R.China;2.National Key Laboratory of Science and Technology on Space Intelligent Control,Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100190,P.R.China. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2011(01)
[7]基于STM32标准外设库STM32F103xxx外围器件编程[J]. 南亦民. 长沙航空职业技术学院学报. 2010(04)
[8]新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J]. 孙书鹰,陈志佳,寇超. 微计算机应用. 2010(12)
[9]基于STM32F103VB的应用编程技术的实现[J]. 张舞杰,南亦民. 计算机应用. 2009(10)
[10]MEMS惯性仪表技术发展趋势[J]. 王巍,何胜. 导弹与航天运载技术. 2009(03)
博士论文
[1]惯性导航系统传递对准技术关键问题研究[D]. 丁国强.哈尔滨工程大学 2010
[2]MSINS/GPS组合导航系统及其数据融合技术研究[D]. 马云峰.东南大学 2006
硕士论文
[1]基于STM32与MEMS器件的微惯性测量系统设计[D]. 雷宇晴.华中科技大学 2016
[2]基于LabVIEW的数据采集与多功能分析系统设计[D]. 刘景峰.中北大学 2015
[3]基于MEMS器件的无人机姿态测量系统设计与实现[D]. 刘佳妮.黑龙江大学 2015
[4]基于MEMS惯性器件的捷联式姿态测量系统的研究[D]. 李佩华.沈阳航空航天大学 2014
[5]基于MEMS传感技术的航姿系统算法研究[D]. 时贵敏.哈尔滨工程大学 2014
[6]基于MEMS多传感器数据融合的惯性组合导航系统算法设计与实现[D]. 胡恩伟.重庆大学 2013
[7]基于MEMS-IMU的捷联式惯性导航系统技术与实现研究[D]. 姜朋.哈尔滨工程大学 2012
[8]基于MEMS的惯性导航系统研究与设计[D]. 张晓玉.电子科技大学 2012
[9]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
[10]基于硬件构件的嵌入式底层软件开发方法研究及其应用[D]. 荐红梅.苏州大学 2008
本文编号：3302506
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
惯性测量系统组成图
西南大学硕士学位论文10卡尔曼滤波对其进行优化和校正。图2.2为本惯性测量系统的姿态角解算过程。在实际的应用过程中，通过陀螺仪所提供的角速度数据对姿态角进行解算，然后对比加速度计所提供数据解算出的姿态角，将两者结果做差得到误差数值，然后利用卡尔曼滤波器对其加以进一步的校正，最终生成我们所需要的高精度姿态角数据。一方面，陀螺仪的应用，为系统整体动态性能的提升提供了强有力的支持；另一方面，加速度计的应用，为陀螺仪零点漂移的消除提供了必要的支持。因此，不仅可以为系统整体导航精度的提升奠定坚实的基础，同时对于系统整体稳定性的提升也同样有着重要的积极作用。本文所设计并实现的这套惯性测量系统，提供了基于陀螺仪的姿态解算方法和基于加速度计和陀螺仪相结合的姿态角解算方法这两种不同的方法。第二种方法需要卡尔曼滤波器对其姿态角误差进行校正，并借鉴重力场变化情况进一步补偿陀螺仪积分漂移，因此基于第二种方法的惯性测量系统整体测量精度更为理想，本文将在第三章中对这种方法加以更为全面的论述。图2.2姿态角解算过程2.3惯性测量系统基础2.3.1惯性导航常用坐标系1.地心惯性坐标系（i系）—iiiOXYZ以牛顿第一定律所构建的惯性坐标系，本身不仅无加速度运动，而且也不会围绕某一轴旋转，从本质上来说是一种始终保持均速直线或者绝对静止的坐标系。不过这一表述实际上没有考虑对地球自转和公转以及宇宙空间中整体位置所具有的影响。按照既往研究习惯，惯性坐标系的原点一般设置为地球的中心O，地球北极到该点的连线为iOZ轴，春分点和该点的连线为iOX轴，iOY与iOZ轴以及iOX共同围绕成为一个典型的右手坐标系。2.地球坐标系（e系）—eeeOXYZ这套坐标系和上文中我们所介绍的地心惯性
西南大学硕士学位论文12：所在地区的水平面和载体横轴之间所构成的夹角，向水平面右侧倾斜为正角度；反之则为负角度，取值范围为[180180聃]。：所在地区的水平面和载体纵轴之间所构成的夹角，向水平面右侧倾斜为正角度；反之则为负角度，取值范围为[9090]。：本初子午线和载体纵轴在当地水平面上的投影所构成的夹角，向北方顺时针旋转为正角度，反之则为负角度，取值范围为[0360へ]。导航坐标系nnnOXYZ到载体坐标系bbbOXYZ的变换矩阵，通常可以采用方向余弦矩阵bnC。由于两者均属于正交坐标系，所以有C1CT=。所以我们可以将变换矩阵简化表示为：()()1TbnnnbbCCC==(2.1)姿态矩阵可由导航坐标系nnnOXYZ经过三次旋转可以得到载体坐标系bbbOXYZ，转换顺序可表示为n12111222XYnnnbbbOXYZOXYZOXYZOXYZ→→→绕-Z旋转绕轴旋转绕轴旋转旋转坐标系如图2.3所示。图2.3导航坐标系和载体坐标系的旋转关系每个变换矩阵分别对应一次旋转，所以有：1cossin0sincos0001nC=(2.2)211000cossin0sincosC=(2.3)
【参考文献】：
期刊论文
[1]均值滤波和形态学在振荡脉搏波提取中应用[J]. 张笑东,蒲宝明,霍红,李相泽,李姣姣. 计算机系统应用. 2016(02)
[2]基于LabVIEW的高速三维扫频光学相干层析成像系统[J]. 王玲,朱海龙,涂沛,吴开华. 中国激光. 2014(07)
[3]基于LabVIEW和Matlab虚拟实验室的实现[J]. 赵莉华,张亚超,金阳,梁勇,任泽生. 实验室研究与探索. 2014(04)
[4]基于STM32的多路电压采集研究[J]. 宋敬卫,付广春,马献国. 电子世界. 2013(12)
[5]基于卡尔曼滤波算法的弹箭飞行姿态测试方法[J]. 王勇贞. 山西电子技术. 2013(02)
[6]Robust fault detection filter and its application in MEMS-based INS/GPS[J]. Jing Shi1,*,Lingjuan Miao1,and Maolin Ni2 1.Institute of Automation,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,P.R.China;2.National Key Laboratory of Science and Technology on Space Intelligent Control,Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100190,P.R.China. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2011(01)
[7]基于STM32标准外设库STM32F103xxx外围器件编程[J]. 南亦民. 长沙航空职业技术学院学报. 2010(04)
[8]新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J]. 孙书鹰,陈志佳,寇超. 微计算机应用. 2010(12)
[9]基于STM32F103VB的应用编程技术的实现[J]. 张舞杰,南亦民. 计算机应用. 2009(10)
[10]MEMS惯性仪表技术发展趋势[J]. 王巍,何胜. 导弹与航天运载技术. 2009(03)
博士论文
[1]惯性导航系统传递对准技术关键问题研究[D]. 丁国强.哈尔滨工程大学 2010
[2]MSINS/GPS组合导航系统及其数据融合技术研究[D]. 马云峰.东南大学 2006
硕士论文
[1]基于STM32与MEMS器件的微惯性测量系统设计[D]. 雷宇晴.华中科技大学 2016
[2]基于LabVIEW的数据采集与多功能分析系统设计[D]. 刘景峰.中北大学 2015
[3]基于MEMS器件的无人机姿态测量系统设计与实现[D]. 刘佳妮.黑龙江大学 2015
[4]基于MEMS惯性器件的捷联式姿态测量系统的研究[D]. 李佩华.沈阳航空航天大学 2014
[5]基于MEMS传感技术的航姿系统算法研究[D]. 时贵敏.哈尔滨工程大学 2014
[6]基于MEMS多传感器数据融合的惯性组合导航系统算法设计与实现[D]. 胡恩伟.重庆大学 2013
[7]基于MEMS-IMU的捷联式惯性导航系统技术与实现研究[D]. 姜朋.哈尔滨工程大学 2012
[8]基于MEMS的惯性导航系统研究与设计[D]. 张晓玉.电子科技大学 2012
[9]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
[10]基于硬件构件的嵌入式底层软件开发方法研究及其应用[D]. 荐红梅.苏州大学 2008
本文编号：3302506
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