某型无人机姿态航向参考系统的设计与实现

摘要

目前，以美国为代表的一些军事大国对无人机的研究处于世界领先地位，国内也正在加紧对无人机领域内各项新兴技术的研究。 鉴于此，本文研究某型无人机姿态航向参考系统的工作原理、系统设计以及工程实现。使该系统具有低成本、小型化以及较高精度的基本特性。该课题涉及的技术面广、工作量大、难点多，具体包括： (1)姿态解算方法的研究； (2)各类惯性器件的测试与补偿； (3)姿态测量值的滤波； (4)航姿系统的总体设计： (5)航姿系统的集成测试。 文中，首先介绍无人机的发展历程与现状，对航姿系统中的各项关键技术作了初步的分析。其次，介绍航姿系统的坐标系与基本方程，分析捷联矩阵的各类修正算法，对所采用的四元数法作了性能仿真。接着，详细分析航姿系统中各类惯性器件(包括角速度陀螺、加速度计、磁罗盘与倾角计 )的工作原理与具体型号的参数特性，通过大量的实验来获取器件的实际数据，并利用MATLAB工具来分析并补偿器件的实际误差。然后，具体分析纯化姿态测量值的滤波技术，并将卡尔曼滤波理论应用到实际的姿态信号测量过程中，提高姿态信号的利用率。最后，介绍系统的整体设计方案以及硬件与软件的设计过程，对航姿系统的调试过程给出了详细的说明，并给出结论。 结合课题的实际工作，文中提出了加速度计的重力补偿法以及前向通道的模块化设讨方法，并给出了倾角计的适用性结论。本航姿系统通过采用微机电(MEMS)惯性器件作为姿态信号测量元件以及TMS320VC33作为系统的DSP芯片的没计方法，扩展了航姿系统的设计思路，并推广了MEMS惯性器件在小型无人机上的应用。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究动态

1.3论文主要内容

第二章航姿系统的工作原理与即时修正算法

2.1惯导系统中常用的坐标系

2.2惯导系统的基本方程

2.3捷联矩阵与飞行器的姿态角

2.4捷联矩阵的即时修正算法

2.4.1欧拉角法

2.4.2四元数法

2.4.3方向余弦法

2.5四元数法的仿真

第三章航姿系统的传感器工作原理与应用

3.1角速度陀螺的工作原理与应用

3.1.1角速度的测量原理与力学基础

3.1.2角速度陀螺的基本特性

3.1.3角速度陀螺的工程应用与误差分析

3.2加速度计的工作原理与应用

3.2.1加速度的测量原理与力学基础

3.2.2加速度计的重力补偿

3.2.3加速度计的工程应用与误差分析

3.3磁罗盘的工作原理与应用

3.3.1航向及航线

3.3.2磁罗盘的应用

3.4倾角计的工作原理与适用性研究

第四章纯化测量值的估计滤波器

4.1卡尔曼滤波的基本理论

4.2航姿系统中的卡尔曼滤波器

4.3航姿系统中卡尔曼滤波的实际应用

第五章基于DSP的航姿系统设计

5.1航姿系统的硬件设计

5.1.1系统的总体设计

5.1.2前向通道的设计

5.1.3 DSP设计

5.2航姿系统的软件设计

5.2.1 DSP的软件资源

5.2.2 DSP的软件开发流程

5.2.3 DSP的软件编程技巧

5.2.4 DSP软件编程中问题的解决

5.3系统的综合调试

5.3.1系统的硬件调试

5.3.2系统的软件调试

5.3.3总体调试

结论

参考文献

作者在硕士期间发表的论文

致谢

知识产权声明书和原创性声明