基于DSP的高速飞行体姿态测量技术研究

摘要

运载体的导航与制导设备完成对其姿态和位置的控制，姿态测量为姿态控制提供必要的姿态信息。高速飞行体动态响应大，对姿态测量系统的实时性和准确性要求更高。导航计算机作为姿态测量系统的核心部件，既要完成对惯性传感器的原始数据采集，更为重要的是高效快速地完成解算姿态信息并输出。DSP芯片，即数字信号处理芯片，区别与其他的CPU，在数字信号处理方面具有很大的优势，成为近两年导航计算机的主要组成部分。
　　本文选用TI公司的32位浮点型DSP芯片TMS320F28335，与其外围电路构成导航计算机，对MEMS-IMU的加速度和角速度值进行采集、存储、解算和输出，设计了一种小型化、高可靠性的姿态测量系统。
　　本文的研究内容主要有：
　　1）充分了解了国内外导航计算机的发展现状，针对高速飞行体提出了使用DSP做为导航计算机的姿态测量系统；
　　2）研究了捷联惯导的测姿原理。在明确测姿过程中几个常用坐标系即其变换后，介绍并比较了几种常用的姿态解算方法，最后选择了四元数法。
　　3）设计了基于DSP TMS320F28335的高速飞行体姿态测量系统，搭建了以F28335为导航计算机，MEMS-IMU为惯性传感器的硬件平台并完成了硬件原理图和PCB板的绘制；完成了硬件调试工作，编写了姿态解算程序。
　　4）为了解决测姿系统随高速运动飞行体行进过程中，可能经受高过载环境而导致的失效问题，本文了从硬件和工艺两方面进行了系统抗高过载设计，并通过有限元分析软件ANSYS进行了瞬态冲击仿真，最后通过20000g马歇特锤实验和三维转台实验验证了抗高过载方案的可靠性。

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目录

1 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2相关技术国内外发展现状

1.3论文内容安排

2 MEMS-IMU姿态参数测量原理

2.1 惯性导航中的地球模型和坐标系

2.2 坐标变换常用算法介绍

2.3 姿态测量算法介绍

2.4 系统误差分析

2.5 本章总结

3 基于DSP的姿态测量系统设计

3.1 硬件设计

3.2 软件设计

3.3 本章小节

4 测姿系统抗高过载方法研究

4.1 测姿系统高过载环境下的受力和失效分析

4.2 提高测姿系统抗高过载方法

4.3 本章小节

5抗高过载仿真和实验分析

5.1 ANSYS有限元的抗高过载仿真

5.2 马歇特锤和三维转台抗高过载验证实验

5.3 本章小节

6总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢