悬翼式微小飞行器姿态测量系统设计

论文摘要

近年来,无人机在军用和民用领域都得到了很广泛的应用,旋翼式无人飞行器能够垂直起降和悬停,能够适应复杂的城市,山区起降环境,具有“悬停并凝视”目标的能力,而且还可以抵近建筑物飞行,对目标物提供精确定位,且其机动性能良好、隐蔽性好、成本低,在军事和民生方面都有广泛的应用,因而成为当今无人飞行器的研究热点之一。由于悬翼式微小飞行器的能量和带载荷能力有限,这要求姿态测量系统体积小、重量轻、功耗低。随着MEMS惯性传感器和嵌入式系统的发展,使得研制满足这种要求的姿态测量系统成为可能。论文设计了一种基于ARM处理器的满足中低精度要求,由三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计以及三轴磁强计组成的姿态测量方案,并由此展开了一系列的研究工作。该姿态测量系统能提供无人机的三轴角速度,三轴加速度以及三轴磁场强度,并通过捷联解算得到无人机的航向、俯仰、横滚三个姿态角,提供给飞行控制系统。首先,论文阐述了课题的应用背景、意义及发展状况。其次,论文引入了捷联姿态更新相关的理论及数学基础,列举了姿态解算的方法和姿态确定的方案,确定了论文采用基于四元数的扩展卡尔曼滤波组合姿态确定方法。接着,论文分析了姿态测量系统的误差,建立MIMU及磁强计的输出模型,对惯性器件进行了系统级标定。重点对MIMU/磁强计组合测姿方法进行了研究,介绍了加速度计/磁强计静态姿态解算方法,设计了扩展Kalman滤波器组合姿态解算算法并对算法的效果进行了仿真验证。最后,完成了姿态测量系统总体的设计、实现及测试,分析了系统需求,依此选用姿态测量系统的传感器和电路元器件;完成软件程序编写、硬件模块设计和电路板调试,并进行试验,对试验结果进行了分析。试验和测试结果表明,基于ARM处理器的姿态测量系统运行效果良好,能满足悬翼式微小飞行器小型化、轻量化以及飞行控制需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的意义
• 1.2 国内外研究应用现状
• 1.2.1 惯性技术发展过程
• 1.2.2 MEMS 惯性传感器的发展
• 1.2.3 无人机导航技术
• 1.3 论文主要内容
• 第2章 姿态测量算法
• 2.1 捷联惯导系统姿态测量
• 2.1.1 常用坐标系
• 2.1.2 载体姿态角的定义
• 2.1.3 坐标变换的捷联矩阵
• 2.1.4 四元数与坐标变换矩阵
• 2.2 姿态解算的方法
• 2.2.1 欧拉角法（三参数法）
• 2.2.2 方向余弦法（九参数法）
• 2.2.3 四元数法（四参数法）
• 2.2.4 旋转矢量法
• 2.3 姿态确定的方案
• 2.3.1 几种姿态测量的方法
• 2.3.2 组合姿态确定法
• 2.4 本章小结
• 第3章 传感器误差模型及标定
• 3.1 MIMU 的误差分析
• 3.1.1 陀螺仪误差
• 3.1.2 加速度计误差
• 3.2 磁强计误差分析
• 3.2.1 磁航向的误差源
• 3.2.2 磁强计的输出模型
• 3.2.3 安装误差
• 3.2.4 罗差
• 3.3 本章小结
• 第4章 惯性传感器/磁强计组合测姿方法研究
• 4.1 加速度计/磁强计确定姿态
• 4.1.1 姿态解算
• 4.1.2 载体线加速度对解算精度的影响
• 4.2 惯性传感器/磁强计组合的姿态测量系统
• 4.2.1 姿态解算模式的判定
• 4.2.2 Kalman 滤波
• 4.2.3 姿态解算扩展Kalman 滤波器的设计
• 4.3 算法的MATLAB 仿真和结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 组合姿态测量系统的工程实现
• 5.1 系统需求分析
• 5.1.1 传感器需求
• 5.1.2 微处理器需求
• 5.2 姿态测量系统总体设计方案
• 5.3 系统主要元器件性能介绍
• 5.3.1 传感器
• 5.3.2 主要电路元件
• 5.4 系统主要模块电路设计
• 5.4.1 信号调理电路
• 5.4.2 电源模块设计
• 5.4.3 置位/复位电路
• 5.4.4 数字接口设计
• 5.5 姿态测量系统软件设计
• 5.5.1 系统软件工作流程
• 5.5.2 主要模块设计
• 5.6 实验结果与分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢