末敏弹多传感器姿态测量技术研究

摘要

末敏弹的姿态信息是末敏弹引战配合的重要参数。为了设计和制造出智能化的末敏弹，精确测量末敏弹的稳态扫描姿态参数必不可少，本文在以往单传感器末敏弹姿态测量的基础上，基于地磁、陀螺仪和加速度计传感器设计了一种弹载多传感器姿态测量系统，采用ARM微处理器对多传感器姿态信息进行数据融合处理，同时采用气压计进行落速的辅助测量，从而为新型末敏弹的性能优化提供设计依据。 基于末敏弹工作过程中地磁场不变的假设，首先研究了基于地磁的末敏弹姿态解算方法，通过仿真的方法对地磁姿态解算方法进行了验证，分析了地磁姿态测量中可能存在的误差，并根据椭圆假设法对其进行误差补偿。同时，运用四元数法研究了了陀螺仪、加速度计的组合姿态解算方法。在此基础上，设计了多传感器数据融合的卡尔曼滤波器，将地磁信息和陀螺仪、加速度信息融合，组合解算末敏弹的姿态，通过仿真分析，融合后的姿态角误差远小于单传感器的测量结果。最后，通过高塔实验进一步验证了多传感器姿态测量系统的精度和可靠性。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究意义

1．2研究现状分析

1．2．1末敏弹的发展

1．2．2弹载姿态测量技术的发展

1．2．3多传感器数据融合技术的发展

1．3论文的主要研究内容和结构安排

2末敏弹多传感器测量系统设计

2．1总体方案设计

2．2末敏弹弹载测量系统的结构设计

2．3硬件设计

2．3．1传感器选型与确定

2．3．2储存模块的选型与确定

2．3．3处理器模块的选型与确定

2．3．4地磁传感器的置位／复位和放大电路

2．3．5电源模块的选型与确定

2．3．6整体电路PCB设计

2．3．7抗过载设计

2．4软件设计

2．4．1弹载测量系统设计

2．4．2 PC机数据处理

2．5本章小结

3末敏弹姿态解算算法研究

3．1坐标系和坐标变换

3．1．1坐标系的建立

3．1．2坐标变换

3．1．3末敏弹稳态扫描模型

3．2 MEMS惯性组件姿态解算

3．2．1陀螺仪姿态解算算法研究

3．2．2四元数法解算陀螺仪姿态

3．3地磁姿态解算

3．3．1末敏弹地磁场模型

3．3．2地磁测量的误差补偿

3．3．3地磁姿态解算方法研究

3．3．4仿真分析及结论

3．4落速解算方法

3．4．1气压计测量原理

3．4．2温度补偿

3．5本章小结

4基于地磁和MEMS惯性组件的姿态数据融合

4．1多传感器数据融合的分类

4．1．1按功能划分的多传感器数据融合

4．1．2按层次划分的多传感器数据融合

4．1．3按结构划分的多传感器数据融合

4．2多传感器数据融合算法

4．2．1基于参数估计的数据融合算法

4．2．2基于加权系数的数据融合算法

4．2．3基于D-S证据理论的融合算法

4．2．4基于模糊理论的数据融合算法

4．3异类传感器数据融合的Kalman滤波器设计

4．3．1卡尔曼滤波

4．3．2多传感器卡尔曼融合模型

4．4卡尔曼滤波器数据融合仿真分析

4．5本章小结

5高塔实验及结果分析

5．1高塔实验

5．1．1基准标定

5．1．2末敏弹投放

5．2多传感器数据融合

5．2．1地磁数据处理

5．2．2 MEMS惯性组件数据处理

5．3．3数据融合

5．3．4气压计数据处理

5．3实验结果分析

5．4本章小结

6结束语

6．1本文工作总结

6．2工作展望

致谢

参考文献

附录