本文關(guān)鍵詞：微型航姿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與姿態(tài)解算算法研究

  更多相關(guān)文章： MEMS慣性傳感器 航姿參考系統(tǒng) 姿態(tài)解算 四元數(shù) 擴(kuò)展卡爾曼濾波

【摘要】：姿態(tài)測(cè)量為導(dǎo)航和控制提供了精確的參考信息。傳統(tǒng)的航姿參考系統(tǒng)雖然具有精度高的優(yōu)勢(shì),但其體積大成本高的特點(diǎn)限制了航姿參考系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的推廣,只能應(yīng)用于軍用領(lǐng)域。但隨著近幾年民用領(lǐng)域?qū)阶藚⒖枷到y(tǒng)的需求不斷增加,比如機(jī)器人、無人機(jī)、船舶導(dǎo)航、三維游戲仿真等領(lǐng)域。在MEMS慣性傳感器快速發(fā)展的歷史背景下,使得開發(fā)一款低成本小型化航姿參考系統(tǒng)成為了可能。本文依托實(shí)驗(yàn)室在研項(xiàng)目,開展了基于多元傳感器的微型航姿參考系統(tǒng)的課題研究。本課題研制的微型航姿系統(tǒng)具有小型化、成本低、精度高等特點(diǎn)。首先,對(duì)本論文的研究背景及及意義進(jìn)行了詳細(xì)介紹,綜述國內(nèi)外慣性導(dǎo)航、MEMS傳感器、航姿參考系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。最后列出了本文的研究內(nèi)容以及本論文的章節(jié)安排。其次,對(duì)微型航姿系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了闡述,其中包括幾種坐標(biāo)系的定義以及載體的姿態(tài)表示、姿態(tài)方程以及常用的坐標(biāo)系變換、慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本方程、捷聯(lián)式導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理,為課題的繼續(xù)開展提供了理論基礎(chǔ)。再次,給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案,基于體積小、精度高,功耗低設(shè)計(jì)原則,搭建了基于ARM和多元傳感器的硬件平臺(tái)。完成對(duì)航姿系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研制,并對(duì)構(gòu)成航姿系統(tǒng)的主要功能模塊進(jìn)行了調(diào)試。最后,對(duì)姿態(tài)解算算法進(jìn)行了介紹,通過分析了算法的優(yōu)劣性,選擇基于四元數(shù)的擴(kuò)展卡爾曼濾波姿態(tài)融合算法,該算法將陀螺儀、磁力計(jì)和加速度計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。對(duì)應(yīng)用該算法研制的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)、定點(diǎn)轉(zhuǎn)停實(shí)驗(yàn)、搖擺實(shí)驗(yàn)、復(fù)合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)表明微型航姿系統(tǒng)在靜態(tài)環(huán)境下,航向角偏差為??1,橫滾角和俯仰角角偏差為??0.5,在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)下,航向角的偏差為??3,俯仰角和橫滾角偏差為??1,將自主研發(fā)的微型航姿系統(tǒng)與目前國內(nèi)設(shè)計(jì)的兩款航姿系統(tǒng)進(jìn)行性能對(duì)比,比較表明自主研發(fā)的微型航姿系統(tǒng)可以滿足工程應(yīng)用。達(dá)到設(shè)計(jì)前的預(yù)期。
【關(guān)鍵詞】：MEMS慣性傳感器 航姿參考系統(tǒng) 姿態(tài)解算 四元數(shù) 擴(kuò)展卡爾曼濾波
【學(xué)位授予單位】：重慶郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN96
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 注釋表10-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.1 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的發(fā)展概況12-13
• 1.2.2 MEMS傳感器的發(fā)展概況13
• 1.2.3 航姿系統(tǒng)的發(fā)展概況13-15
• 1.3 本文主要研究工作及結(jié)構(gòu)安排15-17
• 第2章 微型航姿參考系統(tǒng)基本理論17-27
• 2.1 幾種常用坐標(biāo)系17-19
• 2.2 載體的姿態(tài)表示19-20
• 2.3 載體的姿態(tài)矩陣與坐標(biāo)變換20-22
• 2.4 慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本方程22-24
• 2.5 載體的姿態(tài)方程24
• 2.6 捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)原理24-26
• 2.7 本章小結(jié)26-27
• 第3章 微型航姿參考系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)27-48
• 3.1 概述27
• 3.2 微型航姿參考系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案27-28
• 3.3 MEMS傳感器的工作原理和性能指標(biāo)28-33
• 3.3.1 陀螺儀28-30
• 3.3.2 加速度計(jì)30-32
• 3.3.3 磁力計(jì)32
• 3.3.4 氣壓計(jì)32-33
• 3.4 系統(tǒng)硬件的選型和性能介紹33-37
• 3.4.1 中央處理器33-34
• 3.4.2 MEMS慣性傳感器34-35
• 3.4.3 其他傳感器芯片35-37
• 3.5 微航姿系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)37-47
• 3.5.1 系統(tǒng)模塊原理圖設(shè)計(jì)38-43
• 3.5.2 系統(tǒng)模塊PCB優(yōu)化設(shè)計(jì)43-44
• 3.5.3 系統(tǒng)抗干擾能力及可靠性設(shè)計(jì)44
• 3.5.4 系統(tǒng)硬件調(diào)試流程44-45
• 3.5.5 系統(tǒng)功耗測(cè)試45-46
• 3.5.6 微航姿參考系統(tǒng)樣機(jī)46-47
• 3.6 本章小結(jié)47-48
• 第4章 航姿系統(tǒng)姿態(tài)解算算法研究48-69
• 4.1 姿態(tài)矩陣更新算法48-51
• 4.1.1 歐拉角法解算姿態(tài)角48-49
• 4.1.2 方向余弦法解算姿態(tài)角49-50
• 4.1.3 四元數(shù)法解算姿態(tài)角50-51
• 4.2 姿態(tài)解算算法選擇51-52
• 4.3 卡爾曼融合算法52-58
• 4.3.1 卡爾曼濾波理論52-53
• 4.3.2 經(jīng)典卡爾曼融合算法53-55
• 4.3.3 擴(kuò)展卡爾曼融合算法55-56
• 4.3.4 Unscented卡爾曼融合算法56-58
• 4.3.5 融合算法選擇58
• 4.4 微型航姿參考系統(tǒng)初對(duì)準(zhǔn)算法設(shè)計(jì)58-68
• 4.4.1 加速度測(cè)量姿態(tài)58-59
• 4.4.2 磁力計(jì)測(cè)量航向59-61
• 4.4.3 陀螺儀定姿算法61-62
• 4.4.4 基于自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波四元數(shù)的姿態(tài)融合算法62-64
• 4.4.5 算法中修正因子的確定64-66
• 4.4.6 微型航姿系統(tǒng)姿態(tài)解算算法實(shí)現(xiàn)66-67
• 4.4.7 姿態(tài)解算算法驗(yàn)證67-68
• 4.5 本章小結(jié)68-69
• 第5章 航姿系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)以及性能評(píng)價(jià)69-85
• 5.1 航姿系統(tǒng)的底層軟件的實(shí)現(xiàn)69-73
• 5.1.1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)流程70
• 5.1.2 嵌入式軟件具體設(shè)計(jì)70-72
• 5.1.3 底層程序?qū)崿F(xiàn)的重難點(diǎn)72-73
• 5.2 在線校準(zhǔn)上位機(jī)軟件73-74
• 5.3 通信協(xié)議的數(shù)據(jù)解析74-75
• 5.4 航姿系統(tǒng)性能測(cè)試75-83
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)75-76
• 5.4.2 系統(tǒng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)76-78
• 5.4.3 系統(tǒng)定點(diǎn)轉(zhuǎn)停實(shí)驗(yàn)78-80
• 5.4.4 搖擺運(yùn)動(dòng)測(cè)試80-82
• 5.4.5 復(fù)合運(yùn)動(dòng)測(cè)試82-83
• 5.5 性能對(duì)比83-84
• 5.6 本章小結(jié)84-85
• 第6章 總結(jié)與展望85-87
• 6.1 本文工作總結(jié)85-86
• 6.2 未來工作展望86-87
• 參考文獻(xiàn)87-91
• 致謝91-92
• 攻讀碩士學(xué)位期間從事的科研工作及取得的成果92

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：718847