基于MEMS的捷联惯性导航系统的研究

论文摘要

近几年来,DSP技术发展迅速,已经应用到许多领域,其特定的硬件结构非常适合于处理大量数据的各种算法,具有高效、高速、高精度等优点,是当前许多领域中需做算法处理的嵌入式系统的首选器件。随着超大规模集成电路工艺的不断提高,现场可编程门阵列（FPGA）芯片所能实现的功能越来越强大。它具有开发周期短、成本低、可以反复擦除及编程且容易开发等优点,已成为当代电子设计技术发展的趋势。微惯性陀螺仪与加速度计是重要的捷联导航设备,微惯性捷联导航系统已经成为当前惯性技术研究的热点。这种系统体积小,需要实时解算大量数据。正是在这种背景下,本文设计出基于DSP+FPGA微惯性捷联嵌入式系统的硬件电路。论文首先介绍了MEMS惯性传感器的发展现状以及捷联惯导系统的基本原理,给出了系统设计的理论基础,并利用平行轴冗余技术设计出基于MEMS的捷联惯性导航系统,通过实际调试系统工作稳定,但精度还有待提高,所以提出了利用斜置轴冗余技术设计四轴微惯性测量组合的构想。完成了嵌入式系统的硬件和部分软件的设计。最后对微惯性陀螺仪和加速度计进行了数据采集试验。微惯性测量组合的设计和硬件系统的构建是本文的重点。系统的硬件平台主要由单DSP+单FPGA构架而成,DSP专注于捷联算法解算,而FPGA是DSP与各类传感器之间接口,类似于DSP的一个前端元件。系统的软件部分主要是针对DSP最小系统的编程,包括CMD文件的编写以及部分模块驱动程序的设计。在系统调试及测试过程中,系统软硬件工作稳定可靠,实现了捷联惯导系统的基本功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 捷联惯性导航技术的发展状况
• 1.2 MEMS惯性传感器的发展及现状
• 1.3 DSP和FPGA在捷联惯性导航系统中的应用
• 1.4 课题研究的意义和主要工作
• 第2章 基于MEMS捷联惯导系统的基本理论
• 2.1 惯性导航的基本知识
• 2.1.1 常用坐标系
• 2.1.2 惯导基本方程
• 2.2 捷联式惯导系统的基本原理
• 2.2.1 捷联矩阵
• 2.2.2 四元数法
• 2.2.3 四阶龙格库塔法
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于MEMS捷联惯导系统的方案设计
• 3.1 基于MEMS的捷联惯性导航系统的组成原理
• 3.2 MEMS芯片的选取
• 3.2.1 ADXL210的特点介绍
• 3.2.2 ADXL210的原理图设计
• 3.2.3 ADXRS150特点
• 3.3 捷联惯导系统的初始对准
• 3.4 微惯性测量组合的误差分析
• 3.4.1 MEMS陀螺仪的误差模型
• 3.4.2 MEMS加速度计的误差模型
• 3.5 微捷联惯性导航系统数据处理单元的设计
• 3.6 四轴MIMU的设计构想
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于DSP+FPGA的硬件电路设计
• 4.1 捷联嵌入式系统硬件整体规划
• 4.2 DSP最小系统的设计
• 4.2.1 DSP芯片的选择
• 4.2.2 DSP最小系统电路设计
• 4.2.3 DSP与上位机通信接口的设计
• 4.3 FPGA硬件电路的设计
• 4.4 数据采集电路设计
• 4.4.1 A/D转换原理与转换电路
• 4.4.2 A/D与FPGA的接口电路
• 4.5 DPRAM在捷联嵌入式系统中的应用
• 4.6 FPGA与DSP的接口电路设计
• 4.7 本章小结
• 第5章 DSP系统的底层软件设计
• 5.1 在CCS上的DSP程序开发
• 5.2 CMD文件的编写
• 5.3 部分模块驱动程序设计
• 5.3.1 PLL的初始化
• 5.3.2 EMIF初始化
• 5.3.3 串口MAX3111E的驱动开发
• 5.4 本章小结
• 第6章 微惯性陀螺捷联惯导系统数据采集实验
• 6.1 MEMS陀螺仪速率试验
• 6.2 MEMS陀螺仪漂移试验
• 6.3 实验结果
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A: 基于MEMS捷联惯导系统电路板实物图