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基于微惯性组合的嵌入式航姿参考系统研究

作　者: 杨续伟
导　师: 钱峰
学　校: 上海交通大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 航姿参考系统微惯性测量单元微机械系统姿态更新算法 Kalman滤波算法
分类号: TN966
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

嵌入式航姿参考系统(AHRS)采用微惯性敏感器件包括三轴陀螺仪,三轴加速度计和三轴磁强计的组合作为微惯性测量单元(MIMU),利用嵌入式处理器实时处理采集到的MIMU数据,再根据捷联惯导姿态解算算法对其进行多传感器数据融合,从而实时解算出载体当前的姿态信息。微机械系统(MEMS)技术日臻成熟,微惯性敏感器件因其具有体积小、低功耗、重量轻、响应快、灵敏度高、成本低等优点,已日益广泛地应用于军事和民用领域,基于微惯性组合的嵌入式航姿参考系统是近年来研究的热点之。本文提出了完整的基于微惯性组合的嵌入式AHRS设计理论和方法,阐述了用于捷联惯导的姿态矩阵更新理论,姿态解算理论以及Kalman滤波算法。文中首次设计出基于ADIS16405作为载体姿态惯性测量单元、DSP TMS320F28335作为微处理器的嵌入式AHRS研究平台。在研究平台的基础上,文中创造性的结合MARG算法的静态解算优势和龙格库塔算法的动态解算优势进行载体姿态解算数据融合。然后,通过理论算法和实际数据的验证,从而实现了MATLAB理论仿真到真实研究平台的无缝衔接。本文最终提出种全新的设计方案,采用MEMS传感器三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计作为惯性测量单元,ARM Cortex-M3内核微处理器STM32作为姿态解算核心,实现了完整的嵌入式AHRS应用平台设计。最后,通过完成专用的上位机通讯协议的编制和用户交互界面的定制,从而使本文的研究成果能够转变为实际可用的嵌入式AHRS应用产品。结果证明,本文的研究成果能够大大加速实用的嵌入式AHRS产品的研发进度,对基于微惯性组合的嵌入式航姿参考系统的研究和开发具有重要的参考价值。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-16
  1.1 嵌入式AHRS 的研究背景  10-12
    1.1.1 MEMS 技术的发展现状  10-11
    1.1.2 嵌入式AHRS 的发展现状  11-12
    1.1.3 嵌入式AHRS 的应用前景  12
  1.2 嵌入式AHRS 未来研究方向  12-14
    1.2.1 MEMS 传感器技术的发展  12-13
    1.2.2 AHRS 算法理论的研究  13-14
  1.3 论文内容及安排  14-16
第二章嵌入式AHRS 设计理论  16-34
  2.1 惯性坐标系理论  16-18
    2.1.1 参考坐标系  16-17
    2.1.2 捷联姿态表达式  17-18
  2.2 姿态矩阵理论  18-23
    2.2.1 方向余弦矩阵  18-20
    2.2.2 欧拉角  20-21
    2.2.3 四元数  21-23
  2.3 姿态更新理论  23-29
    2.3.1 方向余弦算法  23-25
    2.3.2 旋转矢量算法  25-26
    2.3.3 四元数算法  26-29
  2.4 姿态解算理论  29-33
    2.4.1 利用MARG 算法计算载体姿态  29-31
    2.4.2 方向余弦法计算载体姿态  31-33
  2.5 本章小结  33-34
第三章嵌入式AHRS 硬件总体设计  34-48
  3.1 嵌入式AHRS 硬件总体方案设计  34-35
  3.2 基于DSP 的嵌入式AHRS 研究平台设计  35-41
    3.2.1 微处理器  35-36
    3.2.2 微惯性测量单元（MIMU）  36-38
    3.2.3 数据采集模块  38-40
    3.2.4 嵌入式AHRS 研究平台的设计原理  40-41
  3.3 基于ARM 的嵌入式AHRS 应用平台设计  41-46
    3.3.1 微处理器模块  41-42
    3.3.2 MEMS 传感器模块  42-45
    3.3.3 数据采集模块  45-46
    3.3.4 嵌入式AHRS 应用平台的设计原理  46
  3.4 本章小结  46-48
第四章嵌入式AHRS 软件设计与实现  48-71
  4.1 MEMS 传感器误差理论  48-52
    4.1.1 传感器信号误差分析  48-49
    4.1.2 传感器误差模型标定  49-52
  4.2 Kalman 滤波器理论  52-56
    4.2.1 离散Kalman 滤波器  52-54
    4.2.2 扩展Kalman 滤波器  54-56
  4.3 利用Kalman 滤波算法进行姿态估计  56-61
    4.3.1 概述  56-57
    4.3.2 基于四元数的Kalman 滤波算法  57-61
  4.4 嵌入式AHRS 软件总体方案设计  61-62
    4.4.1 概述  61
    4.4.2 嵌入式AHRS 软件算法流程图  61-62
  4.5 基于AHRS 研究平台的算法验证  62-67
    4.5.1 利用MATLAB 验证各种姿态计算算法  62-66
    4.5.2 嵌入式AHRS 研究平台使用总结  66-67
  4.6 基于AHRS 应用平台的软件实现  67-69
    4.6.1 嵌入式AHRS 应用平台通讯协议  67-68
    4.6.2 用户交互界面  68-69
  4.7 本章小结  69-71
第五章总结与展望  71-74
  5.1 主要工作与创新点  71-73
  5.2 后续研究工作  73-74
参考文献  74-76
致谢  76-77
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  77-79

基于微惯性组合的嵌入式航姿参考系统研究

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