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基于地磁、陀螺原理的姿态测试技术研究

作　者: 段精婧
导　师: 马铁华；范锦彪
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 惯性导航系统 陀螺 磁阻传感器 姿态测试 数据采集
分类号: V249.322
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 259次
引　用: 3次
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内容摘要


近几年来,随着导弹、卫星、航空、航天技术的快速发展,对导航系统的要求越来越高,其作用是对飞行载体或飞行器的运行轨道、姿态进行跟踪测量与控制,保证飞行载体按设计轨道和姿态运行,因而研究适用于捷联惯导系统的高精度姿态算法就成为目前急需解决的课题。针对以往加速度计安装复杂、安装精度要求高、解算复杂等问题,本文采用陀螺传感器进行测量,并将磁阻传感器引入惯性测量系统进行组合设计,抑制系统输出误差。首先,对捷联惯导系统的基本理论和姿态矩阵的更新算法做了详细研究,并了解了地磁场的基本理论和特点。接着,根据地磁、陀螺惯性组合导航系统对硬件性能的要求,设计了采用AVR单片机、CPLD和Flash存储器的姿态角测试系统,该系统具有存储容量大、噪声小、低功耗和数据不易丢失等特点。最后,详细介绍了姿态角的解算算法,从姿态解算精度和实时性考虑,采用了基于四元数描述的姿态解算方法和非线性最小二乘法,并在此基础上设计了卡尔曼滤波器进行信息融合用来修正捷联惯导系统的累积误差。通过以上手段,提高了所设计系统的实用性和精度,对以上设计思想进行了仿真、分析,验证了本方案理论上的可行性。对测试系统捕获到的数据进行了分析,结合解算出来的数据进行姿态仿真,效果较为理想。实验证明地磁、陀螺惯性组合系统有进一步研究的价值和必要性。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-17
  1.1 本课题的来源、背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究状况  11-15
    1.2.1 惯性导航系统的发展概况  11-12
    1.2.2 组合导航系统的发展概况  12-13
    1.2.3 飞行体姿态测试发展概况  13-15
  1.3 本课题研究内容  15-17
2 捷联式惯性导航系统的基本理论  17-29
  2.1 常用坐标系  17-18
  2.2 常用坐标系变换  18-20
  2.3 惯性导航系统的姿态解算  20-24
    2.3.1 方向余弦矩阵  20-21
    2.3.2 惯性导航系统姿态算法  21-24
  2.4 地磁场基本理论  24-27
    2.4.1 地磁场特点  25-26
    2.4.2 地磁场要素  26-27
  2.5 本章小结  27-29
3 地磁、陀螺惯性测量系统硬件电路设计  29-47
  3.1 地磁、陀螺惯性测量系统硬件电路总体设计  29-32
    3.1.1 硬件总体设计  29-30
    3.1.2 系统的状态设计  30-32
  3.2 传感器的选择  32-37
    3.2.1 陀螺传感器的选择  32-34
    3.2.2 地磁传感器的选择  34-37
  3.3 磁阻传感器电路设计  37-38
  3.4 信号采集电路设计  38-45
  3.5 测试系统可靠性及扩展性设计  45-46
  3.6 本章小结  46-47
4 地磁、陀螺惯性测量系统的姿态角算法  47-62
  4.1 陀螺传感器的解算算法  47-51
    4.1.1 四元数解算算法  47-50
    4.1.2 姿态角真值求取  50-51
  4.2 磁阻传感器的解算算法  51-54
    4.2.1 磁阻传感器确定弹丸姿态的数学模型  51-52
    4.2.2 非线性最小二乘的优化算法  52-54
  4.3 卡尔曼滤波算法  54-58
    4.3.1 卡尔曼滤波算法  55-58
  4.4 算法仿真分析  58-61
    4.4.1 仿真条件  58
    4.4.2 仿真结果与分析  58-61
  4.5 本章小结  61-62
5 实测数据处理  62-70
  5.1 实测地磁、陀螺数据处理  62-65
    5.1.1 地磁、陀螺数据的捕获  62-63
    5.1.2 地磁、陀螺数据的处理  63-65
  5.2 实测角速度数据处理  65-70
    5.2.1 角速度数据的捕获  65-66
    5.2.2 角速度数据的处理  66-70
6 结论  70-72
  6.1 全文总结  70
  6.2 本文主要创新点及不足  70-71
  6.3 成果应用及前景展望  71-72
参考文献  72-76
攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研工作  76-77
致谢  77

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 飞行控制系统与导航 > 导航 > 导航系统 > 惯性导航系统
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