基于ARM的航姿参考系统研究

论文摘要

在民用领域的电子玩具、三维仿真、运动检测、机器人、VR游戏等方面,都急需一种低成本小型化航姿参考系统,而传统的航姿参考系统由于价格高、体积大的原因限制了在这些方面的应用。随着嵌入式系统的飞速发展和新型MEMS惯性元器件的出现,使得研究低成本小型化航姿参考系统成为可能。本文研究了一种基于ARM内核的高性能的嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统的航向姿态参考系统。本文首先介绍了航姿系统的基本理论及其工作原理,包括惯性系统中常用坐标系的定义、姿态角的定义、四元数法、旋转矢量法,重点介绍了载体姿态测量的原理。通过对自适应加权因子和预报残差的研究,提出了一种基于指数渐消因子的自适应卡尔曼滤波算法。其次,介绍了基于嵌入式系统的微惯性航姿系统的硬件和软件设计。提出了硬件设计方案,并对各个功能模块进行了详细说明;同时也提出了软件设计方案,重点介绍了基于ARM的航姿参考系统的软件实现方法。为了验证系统的可行性和可靠性,搭建了嵌入式实时测试平台,详细论述了Simulink/RTW生成可移植C代码的原理。最后,搭建了基于ARM航姿解算的实验系统,详细介绍了航姿解算实验的实现过程,解决了代码移值和调试中出现的很多问题,成功实现了代码的跨平台移植和运行。实验结果证明,由三轴微加速度计、三轴微陀螺仪和三轴磁阻传感器组成,以S3C2410X微处理器和裁剪的Linux2.6实时操作系统为核心的航向姿态参考系统,与通常的航姿测量系统相比,具有体积小、成本低、实时性强等特点,在民用领域具有很广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 微惯性航姿参考系统的发展和现状
• 1.2.1 惯性导航系统概述
• 1.2.2 微机电系统概述
• 1.2.3 捷联惯导系统研究现状
• 1.2.4 微惯性测量组合的发展状况
• 1.3 微惯性航姿参考系统的硬件实现技术
• 1.4 微惯性航姿参考系统的软件实现技术
• 1.5 论文内容及安排
• 第二章 航姿参考系统及工作原理
• 2.1 坐标系的定义
• 2.2 捷联姿态算法
• 2.2.1 载体的姿态表示
• 2.2.2 姿态矩阵
• 2.3 姿态算法
• 2.3.1 四元数法
• 2.3.2 旋转矢量法
• 2.3.3 四元素法的姿态解算流程
• 2.4 载体的姿态测量原理
• 2.4.1 MARG 测姿原理
• 2.4.2 载体的俯仰角和横滚角测量
• 2.4.3 载体的航向角测量
• 2.4.4 载体姿态误差估计的卡尔曼滤波器
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于指数渐消因子的自适应卡尔曼滤波算法
• 3.1 引言
• 3.2 自适应渐消因子卡尔曼滤波器
• 3.3 自适应指数渐消因子滤波算法
• 3.4 仿真结果分析
• 3.5 本章小节
• 第四章 基于ARM 的航姿系统硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 系统硬件设计方案
• 4.3 系统各个模块
• 4.3.1 传感器模块
• 4.3.2 微处理器及其外围电路
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于ARM 的航姿系统软件设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 SIMULINK航姿解算系统模型
• 5.2.1 Simulink 简介
• 5.2.2 航姿解算系统模型
• 5.3 基于RTW 的实时代码生成
• 5.3.1 RTW 简介
• 5.3.2 RTW 代码生成过程
• 5.4 基于ARM 程序开发的方案
• 5.5 本章小结
• 第六章 微惯性航姿参考系统实验
• 6.1 实验环境
• 6.2 航姿解算实验前的准备
• 6.2.1 虚拟机和主机共享文件的实现
• 6.2.2 安装交叉编译工具 Cross2.95.3
• 6.3 SIMULINK/RTW 代码的生成
• 6.3.1 MARG.mdl 航姿解算模型的建立
• linux.tmf 的创建'>6.3.2 grt_linux.tmf 的创建
• 6.3.3 Configuration Parameters 参数配置
• 6.3.4 Build 生成标准格式的C 代码
• 6.3.5 移植代码和航姿解算库文件的创建
• 6.3.6 通用gcc 编译
• 6.3.7 交叉编译
• 6.4 GEC2410 开发板实验
• 6.5 解算结果
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已录用的论文