用于舰载无人机回收的惯导测高系统研究

论文摘要

光学引导舰载无人机撞网回收时,为了使无人机平稳、准确地飞入安装在舰艇尾部甲板上的拦截网中,实现着舰撞网回收,要考虑舰艇因海浪引起的舰体颠簸运动对着舰引导系统的影响,特别是舰船甲板的升沉高度是舰载无人机着舰导引系统必不可少的一个重要参数。舰艇作为三维空间物体,其颠簸运动是一个复杂的六自由度的旋转运动,各个姿态方位参数之间存在着十分复杂而密切的耦合关系,所以,表面上是求取舰船甲板的升沉高度这一个物理量,实际上需要测量计算出全部的姿态方位共计六个参数,这是一个典型的导航算法的应用设计。考虑到MEMS微惯性测量系统具有低成本、微体积、重量轻、高集成度、高可靠性、能承受恶劣的气候环境和机械环境等优点,本文设计了一个基于MEMS-SINS（微机械捷联惯导系统）的舰体升沉高度测量系统,其中采用的四元数导航算法利用simulink进行了模型仿真,最后分析了系统误差,通过试验得到了较理想的系统测量数据。本论文完成的工作主要分成六个部分:第一部分介绍了课题的背景、适用范围及相关技术的发展概况;第二部分主要论述微惯性测高的理论基础;第三部分给出微惯性测高算法的simulink仿真模型及仿真结果;第四部分给出基于MEMS微惯性测高系统的硬件设计及调试过程;第五部分为微惯性测高系统包括系统测试程序的软件设计;第六部分分析了微惯性测高系统的系统误差,对加速度传感器和角速率传感器做了标定,最后对整个系统的性能指标进行了测试,并提出了补偿误差的具体方法,通过试验证明整个系统设计方案的可行性,并对了后期研究工作的开展提出了建议。最后对全文进行了简要的总结。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及适用范围
• 1.2 相关技术的发展及现状
• 1.2.1 捷联惯导技术
• 1.2.2 惯性传感器技术
• 1.2.3 MEMS 惯性器件
• 1.3 论文的主要工作及内容安排
• 第二章测高系统理论概述
• 2.1 惯性导航理论概述
• 2.1.1 惯性导航系统基本原理和分类
• 2.1.2 常用坐标系
• 2.1.3 重要参数说明
• 2.1.4 姿态矩阵
• 2.2 捷联惯导结构组成及工作原理
• 2.3 捷联惯导姿态算法
• 2.3.1 欧拉角法——三参数法
• 2.3.2 方向余弦法——九参数法
• 2.3.3 四元数法
• 2.4 本章小结
• 第三章 四元数测高算法
• 3.1 四元数姿态算法
• 3.2 旋转矢量法
• 3.3 导航参数提取
• 3.3.1 姿态角的提取
• 3.3.2 方位参数的提取
• 3.4 高度通道的阻尼
• 3.5 测高算法仿真
• 3.5.1 模拟输入设置
• 3.5.2 测高算法仿真
• 3.5.3 滤波仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 微惯性测高系统硬件设计及调试
• 4.1 系统主要功能和性能指标
• 4.2 器件选择
• 4.2.1 基本原则
• 4.2.2 微加速度传感器ADXL203
• 4.2.2.1 工作原理
• 4.2.2.2 ADXL203 的性能指标
• 4.2.3 微机械角速度传感器ADXRS401
• 4.2.3.1 ADXR5401 的工作原理
• 4.2.3.2 ADXR5401 的性能指标
• 4.2.4 微控制器ADuC841
• 4.2.5 开发套件
• 4.2.6 其他器件
• 4.2.6.1 静态RAM/HM62256ALP-10
• 4.2.6.2 非易失性串行存储器EEPROM-24C256
• 4.2.6.3 集成运算放大器LM324
• 4.2.6.4 电源转换芯片TP576580
• 4.3 电路设计
• 4.3.1 信号调理电路的设计
• 4.3.2 UART 串口通讯接口电路设计
• 4.3.3 CPU 外围电路设计
• 4.3.4 PCB 板的设计
• 4.3.4.1 PCB 板的布局
• 4.3.4.2 PCB 板的布线
• 4.4 电路调试
• 4.4.1 accutron 开发套件的配置
• 4.4.2 电路的基本测试
• 4.4.2.1 电源电路的测试
• 4.4.2.2 信号调理电路的测试
• 4.4.2.3 ADuC841 及外围芯片的测试
• 4.4.3 CPU 程序下载
• 4.4.4 CPU 在线调试
• 4.4.5 AD 通道的调试
• 4.4.6 UART 串口通信接口调试
• 4.5 本章小结
• 第五章 微惯性测高系统软件设计
• 5.1 软件设计概述
• 5.1.1 总体结构
• 5.1.2 C51 内核存储结构
• 5.2 初始对准程序设计
• 5.3 A/D 转换程序设计
• 5.4 四元数测高算法程序设计
• 5.5 UART 串口通讯程序设计
• 5.6 存储器软件程序设计
• 5.6.1 静态RAM/HM62256ALP-10
• 5.6.2 非易失性串行存储器EEPROM-24C256
• 5.7 系统性能测试软件程序设计
• 5.7.1 测试软件概述
• 5.7.2 VC++调用 Matlab 的方法
• 5.7.3 滤波器设计
• 5.8 本章小结
• 第六章 系统误差分析
• 6.1 系统误差分析
• 6.2 元器件误差修正
• 6.2.1 陀螺仪误差修正
• 6.2.2 加速度计误差修正
• 6.3 系统测试结果及误差分析
• 6.4 后期工作
• 6.5 本章小结
• 第七章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附件 1
• 附件 2:导航参数注释表