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捷联惯导系统设计与数据处理技术研究

作　者: 王立波
导　师: 林晓春
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 自动驾驶仪 捷联惯导 MEMS陀螺 随机漂移误差 Kalman滤波
分类号: V249.322
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本文设计了一种基于双DSP的、惯性导航与GPS组合导航的自动驾驶仪的系统方案,完成了硬件系统的总体设计和主要器件的选型。在该硬件平台下完成了DSP底层软件设计,实现了传感器数据的采集和上传。然后在Matlab环境下完成了陀螺信号的温度补偿,对补偿后的数据进行时间序列分析,建立了ARMA模型,并通过Kalman滤波降低了陀螺的随机漂移误差。接着通过求解四元数微分方程,完成了姿态矩阵的更新和姿态角的解算。针对陀螺解算的姿态角存在积累误差的缺点,设计了基于重力场的自适应互补滤波器,将陀螺仪的动态性能和加速度计低频精度融合起来,得到了长期精度高、动态响应快的姿态信息。最后通过姿态矩阵将加速度计测量的比力转换到导航坐标系,完成了水平速度和位置的解算。论文通过动静态试验,验证了算法的可行性和有效性。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章 绪论  7-13
  1.1 无人机的发展现状  7-8
  1.2 无人机导航技术概述  8-10
    1.2.1 无线电导航系统  8
    1.2.2 卫星导航系统  8-9
    1.2.3 惯性导航系统  9
    1.2.4 天文导航系统  9-10
    1.2.5 组合导航系统  10
  1.3 本文的研究工作  10-13
第二章 捷联惯性导航的关键技术  13-25
  2.1 惯性导航系统常用坐标系  13-16
    2.1.1 常用坐标系定义  14
    2.1.2 常用坐标系统之间的变换关系  14-16
  2.2 捷联惯导姿态矩阵更新算法  16-21
    2.2.1 欧拉角法  17-18
    2.2.2 方向余弦法  18
    2.2.3 四元数法  18-20
    2.2.4 欧拉角和四元数之间的转换关系  20-21
  2.3 惯导系统的导航方程  21-23
  2.4 本章小结  23-25
第三章 自动驾驶仪的系统组成及底层软件设计  25-41
  3.1 自动驾驶仪的系统组成  25-26
  3.2 飞行控制CPU 的选型  26-27
  3.3 MEMS 陀螺仪的原理及选型  27-30
    3.3.1 MEMS 陀螺仪原理  27-28
    3.3.2 衡量MEMS 陀螺仪性能的指标  28-29
    3.3.3 MEMS 陀螺仪的选择  29-30
  3.4 MEMS 加速度计的原理与选型  30-32
  3.5 DSP 底层软件设计  32-39
    3.5.1 AD 转换模块程序设计  32-34
    3.5.2 I~2C 总线读写程序设计  34-36
    3.5.3 双机通信接口SPI  36-38
    3.5.4 串口通信模块SCI  38-39
  3.6 本章小结  39-41
第四章 MEMS 陀螺仪的误差建模与数据处理  41-59
  4.1 陀螺的误差分析  41-42
    4.1.1 陀螺误差  41-42
    4.1.2 陀螺随机误差分析建模方法  42
  4.2 陀螺仪随机误差的温度补偿  42-48
  4.3 基于时间序列分析的陀螺仪随机漂移建模  48-54
    4.3.1 时间序列分析理论  48-49
    4.3.2 陀螺信号的预处理  49-51
    4.3.3 ARMA 模型参数的确定  51-53
    4.3.4 模型的适用性检验  53-54
  4.4 陀螺随机漂移的Kalman 滤波  54-58
    4.4.1 离散系统的Kalman 滤波基本方程  54-55
    4.4.2 Kalman 滤波用于陀螺随机信号处理  55-58
  4.5 本章小结  58-59
第五章 姿态解算和导航计算  59-71
  5.1 姿态矩阵的计算  59-64
    5.1.1 姿态矩阵计算的数值方法  60-61
    5.1.2 姿态角解算  61-64
  5.2 互补滤波  64-67
    5.2.1 重力场互补滤波器设计  64-65
    5.2.2 自适应互补滤波  65-66
    5.2.3 互补滤波的姿态解算  66-67
  5.3 导航计算  67-70
    5.3.1 速度计算  67-68
    5.3.2 位置计算  68-70
  5.4 本章小结  70-71
总结和展望  71-73
致谢  73-75
参考文献  75-79

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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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