基于多传感器的组合姿态检测系统研究
发布时间：2022-01-13 13:56
姿态检测系统是一类利用姿态传感器实时获取运动物体的偏航角、横滚角和俯仰角的设备,无论在航空航天、工业控制等高端领域,还是在虚拟现实、民用无人机等民用领域都发挥着重要的作用。传统的使用单个的器件测量载体的姿态的方式误差较大,随着MEMS惯性传感器和磁阻传感器的不断发展,设计多传感器组合测姿系统成为可能。为了更好的满足民用和消费电子领域的需求,该系统应该满足小型化、实时传输、低功耗、可靠性高、成本低、集成度高等特点。本文设计了一款实时小型化姿态检测系统,选用了集成三轴陀螺仪和加速度计的六轴MEMS惯性测量单元BMI160,磁传感器HMC5883L作为其主要的敏感单元,实时采集载体的运动数据。选用STM32F103T8U6作为系统核心处理器,实时收集传感器数据,并结合多传感器数据融合算法,解算出载体的姿态信息,并以串口通信的方式将解算得到的数据传入到上位机中进行实时显示。论文主要研究了基于惯导技术的姿态测量基本原理和方法,通过对比三种常见的用于描述载体姿态信息的方向余弦矩阵法、欧拉角法和四元数法的优缺点,确定了四元数作为姿态信息的表述方法,推导了四元数的更新方程,同时,也详细的介绍了常用的梯...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
参考坐标系在姿态检测系统中，对应于参考坐标系的三个轴向，具体定义了如下三个姿
浙江硕士学位论文12顺序不同，所得到的变换矩阵也有所不同，按照航空次序角旋转，即先绕Z轴旋转，再绕X轴旋转，最后绕Y轴旋转。具体转动过程如图2.2所示：图2.2欧拉角转动过程载体得具体旋转顺序满足以下关系：每一个旋转都对应一个矩阵，因此三次旋转对应了如下三个矩阵：1000cossin0sin-cos1nC（2.3）cossin0sincos000121C（2.4）cos0sin010sin0cosb2C（2.5）由上一节可知，由导航坐标系到载体坐标系的方向余弦矩阵为bCn，则根据欧拉角三次旋转的连续性，可以得到如下的关系式：1212nnbbCCCC（2.6）由于在旋转过程中，各个坐标轴的正交性保持不变，且1212nbCCC因此有如下的关系：TbnbnnCCC)()(1b（2.7）
浙江硕士学位论文15由上一节中，对四元数的介绍，可知四元数可以用来描述n系和b系之间的关系，而载体和b系固连，所以载体与导航坐标系之间的关系，就可以用n系和b系之间的关系表征，在姿态检测系统中，如果只关心某一时0刻b系和n系的轴向之间的关系时，可以理解b系是由n系经过一次等效旋转所形成的。式（2.14）就可以用来表示这种关系，而姿态四元数Q则包含了这种旋转的全部信息，在旋转中nu通常被定义为旋转轴和旋转方向，而则表示转过的角度。由于某一时刻载体的姿态唯一确定，所以四元数为时间t的函数，可对上式两边求导得：dtduudtdQnn2sin2cos22sin2（2.15）其中nnnbbbnbnnnudtduCdtdudtdu（2.16）载体绕旋转轴u旋转，载体始终与b系固连，因此在转动过程中，b系的x轴、y轴和z轴分布在圆锥的各个面上，如图2.3所示。旋转轴u位于圆锥的对称轴上，则u在这三个坐标系内的投影不变，而在载体坐标系中观察到的u始终不变，因此有：0bbdtdu（2.17）图2.3系绕u旋转时形成的三个圆锥面又因为nnnbu（2.18）所以有0nnnuudtdu（2.19）
【参考文献】：
期刊论文
[1]智能小车加速度计及陀螺仪装置的设计[J]. 王丹丹,谭开拓,赵建周. 安阳工学院学报. 2019(04)
[2]基于24位置的MEMS惯性传感器快速标定方法[J]. 孙佳,邹靖,胡桐. 压电与声光. 2019(03)
[3]基于STM32的多串口通信系统设计[J]. 张海超,张北伟. 国外电子测量技术. 2019(02)
[4]傅科摆的研究及可视化[J]. 李育凌. 智库时代. 2019(05)
[5]浅析IIC及其在电子罗盘上的应用[J]. 郑传尧. 电脑知识与技术. 2019(03)
[6]姿态检测系统中的数据融合算法综述[J]. 王翔,白茹,崔晓阳,吴涛,钱正洪. 电子科技. 2018(10)
[7]基于椭球拟合的磁力计误差校正方法研究[J]. 孙伟,杨一涵,王野. 传感技术学报. 2018(09)
[8]老年人家用防跌倒检测系统设计[J]. 马晨晓,张秀艳,彭慧,庞晨. 南方农机. 2018(09)
[9]MEMS陀螺仪参数校准方法研究[J]. 马帅旗. 电子技术应用. 2015(04)
[10]基于Mahony滤波器和PID控制器的四旋翼飞行器姿态控制[J]. 黄坡,马艳,杨万扣. 电脑知识与技术. 2014(07)
博士论文
[1]捷联平台成像末制导关键技术研究[D]. 张路.国防科学技术大学 2010
[2]多传感器数据融合算法研究[D]. 吴艳.西安电子科技大学 2003
硕士论文
[1]基于多传感器的姿态检测系统设计及数据融合算法研究[D]. 王翔.杭州电子科技大学 2018
[2]多传感器组合测姿系统设计及姿态解算算法研究[D]. 崔晓阳.杭州电子科技大学 2017
[3]基于串级PID控制算法的四旋翼无人机控制系统设计与实现[D]. 乌仁别丽克.东华大学 2016
[4]基于MEMS惯性器件的ROV组合导航系统设计[D]. 胡佳兴.哈尔滨工程大学 2016
[5]基于MEMS运动传感器的姿态检测系统设计[D]. 杨磊.苏州大学 2015
[6]基于梯度下降和互补滤波的快速姿态解算算法研究[D]. 陈建翔.天津大学 2016
[7]基于VR眼镜和智能手机的虚拟现实系统[D]. 郭晓明.西安电子科技大学 2015
[8]龙格库塔法求模糊微分方程的数值解[D]. 杨阳.哈尔滨工业大学 2015
[9]四旋翼小型无人飞行器[D]. 冀亮.杭州电子科技大学 2015
[10]室内小型四旋翼无人机的姿态与位置控制[D]. 杨建宇.东北大学 2014
本文编号：3586553
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
参考坐标系在姿态检测系统中，对应于参考坐标系的三个轴向，具体定义了如下三个姿
浙江硕士学位论文12顺序不同，所得到的变换矩阵也有所不同，按照航空次序角旋转，即先绕Z轴旋转，再绕X轴旋转，最后绕Y轴旋转。具体转动过程如图2.2所示：图2.2欧拉角转动过程载体得具体旋转顺序满足以下关系：每一个旋转都对应一个矩阵，因此三次旋转对应了如下三个矩阵：1000cossin0sin-cos1nC（2.3）cossin0sincos000121C（2.4）cos0sin010sin0cosb2C（2.5）由上一节可知，由导航坐标系到载体坐标系的方向余弦矩阵为bCn，则根据欧拉角三次旋转的连续性，可以得到如下的关系式：1212nnbbCCCC（2.6）由于在旋转过程中，各个坐标轴的正交性保持不变，且1212nbCCC因此有如下的关系：TbnbnnCCC)()(1b（2.7）
浙江硕士学位论文15由上一节中，对四元数的介绍，可知四元数可以用来描述n系和b系之间的关系，而载体和b系固连，所以载体与导航坐标系之间的关系，就可以用n系和b系之间的关系表征，在姿态检测系统中，如果只关心某一时0刻b系和n系的轴向之间的关系时，可以理解b系是由n系经过一次等效旋转所形成的。式（2.14）就可以用来表示这种关系，而姿态四元数Q则包含了这种旋转的全部信息，在旋转中nu通常被定义为旋转轴和旋转方向，而则表示转过的角度。由于某一时刻载体的姿态唯一确定，所以四元数为时间t的函数，可对上式两边求导得：dtduudtdQnn2sin2cos22sin2（2.15）其中nnnbbbnbnnnudtduCdtdudtdu（2.16）载体绕旋转轴u旋转，载体始终与b系固连，因此在转动过程中，b系的x轴、y轴和z轴分布在圆锥的各个面上，如图2.3所示。旋转轴u位于圆锥的对称轴上，则u在这三个坐标系内的投影不变，而在载体坐标系中观察到的u始终不变，因此有：0bbdtdu（2.17）图2.3系绕u旋转时形成的三个圆锥面又因为nnnbu（2.18）所以有0nnnuudtdu（2.19）
【参考文献】：
期刊论文
[1]智能小车加速度计及陀螺仪装置的设计[J]. 王丹丹,谭开拓,赵建周. 安阳工学院学报. 2019(04)
[2]基于24位置的MEMS惯性传感器快速标定方法[J]. 孙佳,邹靖,胡桐. 压电与声光. 2019(03)
[3]基于STM32的多串口通信系统设计[J]. 张海超,张北伟. 国外电子测量技术. 2019(02)
[4]傅科摆的研究及可视化[J]. 李育凌. 智库时代. 2019(05)
[5]浅析IIC及其在电子罗盘上的应用[J]. 郑传尧. 电脑知识与技术. 2019(03)
[6]姿态检测系统中的数据融合算法综述[J]. 王翔,白茹,崔晓阳,吴涛,钱正洪. 电子科技. 2018(10)
[7]基于椭球拟合的磁力计误差校正方法研究[J]. 孙伟,杨一涵,王野. 传感技术学报. 2018(09)
[8]老年人家用防跌倒检测系统设计[J]. 马晨晓,张秀艳,彭慧,庞晨. 南方农机. 2018(09)
[9]MEMS陀螺仪参数校准方法研究[J]. 马帅旗. 电子技术应用. 2015(04)
[10]基于Mahony滤波器和PID控制器的四旋翼飞行器姿态控制[J]. 黄坡,马艳,杨万扣. 电脑知识与技术. 2014(07)
博士论文
[1]捷联平台成像末制导关键技术研究[D]. 张路.国防科学技术大学 2010
[2]多传感器数据融合算法研究[D]. 吴艳.西安电子科技大学 2003
硕士论文
[1]基于多传感器的姿态检测系统设计及数据融合算法研究[D]. 王翔.杭州电子科技大学 2018
[2]多传感器组合测姿系统设计及姿态解算算法研究[D]. 崔晓阳.杭州电子科技大学 2017
[3]基于串级PID控制算法的四旋翼无人机控制系统设计与实现[D]. 乌仁别丽克.东华大学 2016
[4]基于MEMS惯性器件的ROV组合导航系统设计[D]. 胡佳兴.哈尔滨工程大学 2016
[5]基于MEMS运动传感器的姿态检测系统设计[D]. 杨磊.苏州大学 2015
[6]基于梯度下降和互补滤波的快速姿态解算算法研究[D]. 陈建翔.天津大学 2016
[7]基于VR眼镜和智能手机的虚拟现实系统[D]. 郭晓明.西安电子科技大学 2015
[8]龙格库塔法求模糊微分方程的数值解[D]. 杨阳.哈尔滨工业大学 2015
[9]四旋翼小型无人飞行器[D]. 冀亮.杭州电子科技大学 2015
[10]室内小型四旋翼无人机的姿态与位置控制[D]. 杨建宇.东北大学 2014
本文编号：3586553
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3586553.html
