面向水下小型航行器的航姿传感器研究
发布时间：2022-02-20 08:53
水下航行器（Underwater Vehicle,UV）定位,尤其是民用领域UV,主要依赖有“水中卫星导航系统”之称的声学定位系统。然而,声学定位系统缺少导航用航姿信息。近几年,随着小型UV的快速发展,免校准超短基线（Ultra Short Base Line,USBL）声学定位系统越来越成为声学定位系统的主要形式,其对小尺寸、低功耗、高精度航姿传感器具有紧迫需求。针对以上需求和问题,本文设计了一款基于微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems,MEMS）的惯性器件和磁传感器构建的微型化航姿传感器系统。本系统采用高性能的32位微控制器STM32F411RET6为核心处理单元,以三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪和三轴微磁传感器作为载体运动信息感知单元,集成温度传感器监测系统工作环境温度。基于嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅲ研发了航姿传感器的数据处理软件系统,实现数据采集、误差补偿、融合运算、数据通信及数据存储等任务间的调度与管理,提高系统运行的实时性和稳定性。在分析传感器关键性能指标的基础上,通过系统硬件设计,降低系统整体功耗。针对传感器存在的不...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１国外部分成熟ＭＩＭＵ产品图??国内对于ＭＥＭＳ传感器的研宄工作始于１９８９年，以高校和研宂所的科研团??
?１１９＊１１４＊１２４?１３６０?＜１０??Ｉｎｎａｌａｂｓ??０．０４／０．２?０．１７／０．５?１０６＊２９＊２６?１５０?１．５??Ｉｎｎａｌａｂｓ?ＡＨＲＳ??ＭｉｎｉＡＨＲＳ?０．５／２?１／２?６１＊３３＊１７?３０?０．４６??ＳＢＧ?Ｅｌｌｉｐｓｅ２－Ａ?０．１?０．８?４６＊４５＊２４?＜４５?＜０．４６??Ｓｙｓｔｅｍｓ??Ｍ臞鄭??（ａ）?ＭＴｉ－３００?（ｂ）ＡＨＲＳ５００ＧＡ?（ｃ）?ＭｉｎｉＡＨＲＳ?（ｄ）?Ｅｌｌｉｐｓｅ２－Ａ??图１．２国外部分成熟航姿传感器产品图??国内众多科研机构和企业也开展了大量相关研宄工作，并取得了一定的成就，??具备独立开发研制能力。西北工业大学研制的航姿传感器静态下姿态角误差为??±０．２°、航向角误差为±０．１°；中航６１８所制作的航姿传感器的姿态测量精度为０．３°；??桂林飞宇科技公司推出的具有自主知识产权的高精度航姿传感器??ＦＹ－ＡＨＲＳ－３００Ａ，航向精度为±０．５°，静态姿态精度０．５°、动态精度２°；北京星网??宇达科技公司生产的ＡＨＲＳ５５００，静态下航向角精度０．３°，姿态角精度０．１°。在??航姿传感器与ＧＰＳ组合惯性测量系统上也进行了深入研究，以高校科研机构为??主，如清华大学、上海交通大学、哈尔滨工程大学等［２３】，在系统研发和性能测试??方面做了大量工作，取得了相当不错的成绩。目前，国内研发的组合航姿测量系??统，定位精度可达４ｍ，在动态性不高的情况下精度在２ｍ以内，但当ＧＰＳ信号??不强或动态性较强时，误差累积比较严重，仅３０ｓ时间误差就有１５０－２００ｍ，需??要其它设备进行辅助或进一步改善算法。因此，国内在
?第１章绪论???ｋ?，??（ａ）?ＣＳ－ＡＨＲＳ－０５Ｂ?（ｂ）?ＦＹ－ＡＨＲＳ－２０００Ｂ??图１．３部分国产航姿传感器产品图??１．３本文主要研究内容和结构安排??本文针对水下航行器定位、小型无人机、个人应用等便携式设备对航姿传感??器的低功耗需求，通过优选微控制器和ＭＡＲＧ传感器，设计了一款以??ＳＴＭ３２Ｆ４１１ＲＥＴ６为微控制器，由加速度计ＬＩＳ３ＬＶ０２ＤＬ、陀螺仪ＸＶ７０１１ＢＢ和??磁传感器ＲＭ３１００等组成的微型航姿传感器系统，在保证系统测量精度高、动态??响应快的同时降低系统功耗，采用ＡＵＫＦ算法，提高系统测量精度和稳定性；??考虑温度变化引起的ＭＡＲＧ传感器性能波动，集成温度传感器ＬＭ７５Ａ，监测系??统模块的温度，开展高低温实验研宄传感器灵敏度系数和偏置的温度特性，建立??传感器温度补偿模型，实时补偿传感器的温度特性偏差，提高系统的温度适应性，??并开展测试实验验证温度补偿效果。??本文共五个章节，每个章节的主要内容如下：??第一章为绪论，分析了用于小型ＵＶ的声学定位系统对低功耗、高精度微型??航姿传感器的迫切需求，对ＭＥＭＳ惯性传感器和航姿传感器进行了简要介绍，??并具体阐述了?ＭＥＭＳ加速度计、ＭＥＭＳ陀螺仪以及ＭＩＭＵ、航姿传感器的国内??外研究现状和发展趋势，最后对本文的研宄内容进行了简要概述。??第二章为航姿传感器系统的总体设计与实现，首先介绍了系统的总体设计方??案，给出了航姿传感器系统的结构框图，然后介绍了系统各模块的功能和电路设??计，展示了航姿传感器的实物样机；简要介绍了航姿传感器的软件开发环境Ｋｅｉｌ??ＭＤＫ，基于嵌入式实时操作系统设计了软件系统的总体结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]MEMS惯性传感器现状与发展趋势[J]. 卞玉民,胡英杰,李博,徐淑静,杨拥军. 计测技术. 2019(04)
[2]用于水下ROV控制的姿态融合技术研究[J]. 裴国栋,温亚楠,朱莉莉. 船电技术. 2018(04)
[3]无磁转台的电子罗盘误差分离标定方法[J]. 高可,林新华,储志伟,武靖博. 传感器与微系统. 2017(02)
[4]基于强跟踪AUKF的目标跟踪算法[J]. 杨倩,王洋,赵红梅,崔光照. 现代电子技术. 2016(17)
[5]MEMS加速度计的误差补偿方法[J]. 许鹏,陈琳,王娟. 微纳电子技术. 2016(07)
[6]基于Kalman滤波和六位置法的加速度计标定补偿[J]. 刘宇,季廷洪,向高林,张欣,龚爽,宁莉莎. 压电与声光. 2016(01)
[7]微机械加速度计的温漂性能研究综述[J]. 张霞. 固体电子学研究与进展. 2015(06)
[8]MEMS惯性导航传感器[J]. 周红进,钟云海,易成涛. 舰船科学技术. 2014(01)
[9]MEMS加速度计温漂预测补偿模型[J]. 徐哲,刘云峰,董景新. 中国惯性技术学报. 2012(05)
[10]MEMS加速度计静态温度模型的辨识[J]. 夏克洪,米亮. 电子设计工程. 2012(10)
博士论文
[1]基于MARG传感器的AHRS关键技术研究[D]. 李翔.西安电子科技大学 2013
[2]小型AUV水下导航系统关键技术研究[D]. 张强.哈尔滨工程大学 2011
硕士论文
[1]MEMS惯性测量单元测试标定方法研究[D]. 张胜男.中北大学 2019
[2]基于MEMS惯性器件的姿态测量系统的研究[D]. 成雅丽.中北大学 2019
[3]基于GPS/MEMS惯性组件复合测姿方法研究[D]. 张瑞雪.中北大学 2019
[4]基于MEMS的运动姿态参考系统的设计与研究[D]. 展浩.哈尔滨工程大学 2019
[5]基于自适应扩展卡尔曼滤波的微小型航姿系统设计与实现[D]. 路小燕.南京航空航天大学 2018
[6]基于微传感器组合导航的便携式个人设备的设计与研究[D]. 向磊.重庆邮电大学 2017
[7]基于MARG传感器的车辆姿态测量算法的研究[D]. 李超.山东大学 2017
[8]MEMS加速度计温度补偿方法研究[D]. 刘滔.苏州大学 2017
[9]MEMS陀螺仪随机漂移误差补偿技术的研究[D]. 霍元正.东南大学 2015
[10]基于MEMS的资料浮标姿态传感器的设计和实现[D]. 侯庆余.中国海洋大学 2014
本文编号：3634698
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１国外部分成熟ＭＩＭＵ产品图??国内对于ＭＥＭＳ传感器的研宄工作始于１９８９年，以高校和研宂所的科研团??
?１１９＊１１４＊１２４?１３６０?＜１０??Ｉｎｎａｌａｂｓ??０．０４／０．２?０．１７／０．５?１０６＊２９＊２６?１５０?１．５??Ｉｎｎａｌａｂｓ?ＡＨＲＳ??ＭｉｎｉＡＨＲＳ?０．５／２?１／２?６１＊３３＊１７?３０?０．４６??ＳＢＧ?Ｅｌｌｉｐｓｅ２－Ａ?０．１?０．８?４６＊４５＊２４?＜４５?＜０．４６??Ｓｙｓｔｅｍｓ??Ｍ臞鄭??（ａ）?ＭＴｉ－３００?（ｂ）ＡＨＲＳ５００ＧＡ?（ｃ）?ＭｉｎｉＡＨＲＳ?（ｄ）?Ｅｌｌｉｐｓｅ２－Ａ??图１．２国外部分成熟航姿传感器产品图??国内众多科研机构和企业也开展了大量相关研宄工作，并取得了一定的成就，??具备独立开发研制能力。西北工业大学研制的航姿传感器静态下姿态角误差为??±０．２°、航向角误差为±０．１°；中航６１８所制作的航姿传感器的姿态测量精度为０．３°；??桂林飞宇科技公司推出的具有自主知识产权的高精度航姿传感器??ＦＹ－ＡＨＲＳ－３００Ａ，航向精度为±０．５°，静态姿态精度０．５°、动态精度２°；北京星网??宇达科技公司生产的ＡＨＲＳ５５００，静态下航向角精度０．３°，姿态角精度０．１°。在??航姿传感器与ＧＰＳ组合惯性测量系统上也进行了深入研究，以高校科研机构为??主，如清华大学、上海交通大学、哈尔滨工程大学等［２３】，在系统研发和性能测试??方面做了大量工作，取得了相当不错的成绩。目前，国内研发的组合航姿测量系??统，定位精度可达４ｍ，在动态性不高的情况下精度在２ｍ以内，但当ＧＰＳ信号??不强或动态性较强时，误差累积比较严重，仅３０ｓ时间误差就有１５０－２００ｍ，需??要其它设备进行辅助或进一步改善算法。因此，国内在
?第１章绪论???ｋ?，??（ａ）?ＣＳ－ＡＨＲＳ－０５Ｂ?（ｂ）?ＦＹ－ＡＨＲＳ－２０００Ｂ??图１．３部分国产航姿传感器产品图??１．３本文主要研究内容和结构安排??本文针对水下航行器定位、小型无人机、个人应用等便携式设备对航姿传感??器的低功耗需求，通过优选微控制器和ＭＡＲＧ传感器，设计了一款以??ＳＴＭ３２Ｆ４１１ＲＥＴ６为微控制器，由加速度计ＬＩＳ３ＬＶ０２ＤＬ、陀螺仪ＸＶ７０１１ＢＢ和??磁传感器ＲＭ３１００等组成的微型航姿传感器系统，在保证系统测量精度高、动态??响应快的同时降低系统功耗，采用ＡＵＫＦ算法，提高系统测量精度和稳定性；??考虑温度变化引起的ＭＡＲＧ传感器性能波动，集成温度传感器ＬＭ７５Ａ，监测系??统模块的温度，开展高低温实验研宄传感器灵敏度系数和偏置的温度特性，建立??传感器温度补偿模型，实时补偿传感器的温度特性偏差，提高系统的温度适应性，??并开展测试实验验证温度补偿效果。??本文共五个章节，每个章节的主要内容如下：??第一章为绪论，分析了用于小型ＵＶ的声学定位系统对低功耗、高精度微型??航姿传感器的迫切需求，对ＭＥＭＳ惯性传感器和航姿传感器进行了简要介绍，??并具体阐述了?ＭＥＭＳ加速度计、ＭＥＭＳ陀螺仪以及ＭＩＭＵ、航姿传感器的国内??外研究现状和发展趋势，最后对本文的研宄内容进行了简要概述。??第二章为航姿传感器系统的总体设计与实现，首先介绍了系统的总体设计方??案，给出了航姿传感器系统的结构框图，然后介绍了系统各模块的功能和电路设??计，展示了航姿传感器的实物样机；简要介绍了航姿传感器的软件开发环境Ｋｅｉｌ??ＭＤＫ，基于嵌入式实时操作系统设计了软件系统的总体结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]MEMS惯性传感器现状与发展趋势[J]. 卞玉民,胡英杰,李博,徐淑静,杨拥军. 计测技术. 2019(04)
[2]用于水下ROV控制的姿态融合技术研究[J]. 裴国栋,温亚楠,朱莉莉. 船电技术. 2018(04)
[3]无磁转台的电子罗盘误差分离标定方法[J]. 高可,林新华,储志伟,武靖博. 传感器与微系统. 2017(02)
[4]基于强跟踪AUKF的目标跟踪算法[J]. 杨倩,王洋,赵红梅,崔光照. 现代电子技术. 2016(17)
[5]MEMS加速度计的误差补偿方法[J]. 许鹏,陈琳,王娟. 微纳电子技术. 2016(07)
[6]基于Kalman滤波和六位置法的加速度计标定补偿[J]. 刘宇,季廷洪,向高林,张欣,龚爽,宁莉莎. 压电与声光. 2016(01)
[7]微机械加速度计的温漂性能研究综述[J]. 张霞. 固体电子学研究与进展. 2015(06)
[8]MEMS惯性导航传感器[J]. 周红进,钟云海,易成涛. 舰船科学技术. 2014(01)
[9]MEMS加速度计温漂预测补偿模型[J]. 徐哲,刘云峰,董景新. 中国惯性技术学报. 2012(05)
[10]MEMS加速度计静态温度模型的辨识[J]. 夏克洪,米亮. 电子设计工程. 2012(10)
博士论文
[1]基于MARG传感器的AHRS关键技术研究[D]. 李翔.西安电子科技大学 2013
[2]小型AUV水下导航系统关键技术研究[D]. 张强.哈尔滨工程大学 2011
硕士论文
[1]MEMS惯性测量单元测试标定方法研究[D]. 张胜男.中北大学 2019
[2]基于MEMS惯性器件的姿态测量系统的研究[D]. 成雅丽.中北大学 2019
[3]基于GPS/MEMS惯性组件复合测姿方法研究[D]. 张瑞雪.中北大学 2019
[4]基于MEMS的运动姿态参考系统的设计与研究[D]. 展浩.哈尔滨工程大学 2019
[5]基于自适应扩展卡尔曼滤波的微小型航姿系统设计与实现[D]. 路小燕.南京航空航天大学 2018
[6]基于微传感器组合导航的便携式个人设备的设计与研究[D]. 向磊.重庆邮电大学 2017
[7]基于MARG传感器的车辆姿态测量算法的研究[D]. 李超.山东大学 2017
[8]MEMS加速度计温度补偿方法研究[D]. 刘滔.苏州大学 2017
[9]MEMS陀螺仪随机漂移误差补偿技术的研究[D]. 霍元正.东南大学 2015
[10]基于MEMS的资料浮标姿态传感器的设计和实现[D]. 侯庆余.中国海洋大学 2014
本文编号：3634698
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