基于嵌入式的捷联姿态参考系统设计与实现

摘要

捷联姿态参考系统是惯导系统中的一种，它固定在载体上，通过计算机内建的惯导平台，利用陀螺与加速度计采集到的信号，来完成载体姿态矩阵实时计算，从姿态矩阵提取出载体的横滚角与俯仰角输出。姿态参考系统在天线的稳定、地理勘探、坦克、舰船、石油钻井平台和海面跟踪、机器人控制等方面有着广泛的应用。目前国内外同类产品在可靠性、稳定性、实时性等方面存在很多不足，同时价格昂贵。近年来，DSP以其处理精度高、实时性强、功耗低，特别适合数字信号处理等特点广泛应用到了各种嵌入式系统中，本课题就是以TI的DSP芯片为处理核心来研究开发捷联姿态参考系统，进行了系统的架构设计和实现。 系统采用MCU与DSP构成的双CPU体系结构，主要由以惯性组合单元(IMU)，MCU模数转换与信号接口单元，DSP数据处理单元三部分组成。由三轴正交的光纤陀螺与三轴正交的石英加速度计组成的惯性组合单元分别感应X轴、Y轴、Z轴向的角速度与重力加速度比力，MCU来完成制A/D转换，再输出到DSP进行姿态角的计算。为提高系统的精度，研究采用了自适应扩展卡尔曼滤波来进行加速度计与陀螺信号的去噪处理。论文分析了捷联姿态参考系统的原理、嵌入式系统的开发技术以及运用的相关算法，进行了系统功能的划分与总体设计，完成了硬件、软件设计，配合合作方完成了系统的调试与测试。系统的硬件制作及仪器成型工作由合作方完成。

目录

文摘

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1绪论

1.1项目研究的背景

1.2相关技术及国内外研究现状

1.3研究的主要内容

2捷联惯导系统原理与姿态角求解

2.1惯导系统基本原理

2.2惯导系统采用的坐标系介绍

2.3姿态信息的解算方法

2.3.1欧拉角法

2.3.2方向余弦法

2.3.3四元数法

2.3.4等效旋转矢量法

2.4本章小结

3嵌入式系统开发流程及姿态参考系统的系统架构

3.1嵌入式系统开发技术

3.1.1嵌入式系统开发的特点

3.1.2嵌入式系统开发的流程

3.2姿态参考系统的系统架构设计

3.2.1功能模块设计

3.2.2姿态测量部分的性能指标要求

3.2.3数据采集单元与DSP姿态解算单元接口

3.2.4姿态测量数据输出

3.2.5姿态测量的输入命令接口

3.3本章小结

4姿态参考系统的硬件设计

4.1惯性测量单元IMU及指标选取

4.2信号接口与模数转换主控制器ADuC834

4.3数据处理单元DSP处理器TMS320C5410

4.4 ADuc834与TMS320C5410接口设计

4.5数据接口与模数转换电路设计

4.6 TMS320C5410外围电路设计

4.7电源的设计

4.8本章小结

5姿态参考系统软件设计

5.1数据采集及模数转换单元软件设计

5.2基于Kalman滤波的信号去噪处理

5.2.1系统误差分析及采集信号滤波处理必要性

5.2.2 Kalman滤波算法

5.2.3基于最小的自适应扩展卡尔曼滤波去噪算法及matlab仿真

5.3陀螺和加速度计的标定

5.4 DSP数据处理单元软件设计

5.4.1串口收发

5.4.2姿态角的计算

5.4.3系统的初始对准

5.4.4源程序片段

5.5本章小结

6结论与展望

致 谢

参考文献

附 录