基于微型磁通门的九轴航姿参考系统研究

摘要

近年来，国内外航姿参考系统市场逐渐成熟起来，基于九轴传感器的中高档型数字航姿参考系统需求在不断增大，市场上还没有成熟的基于磁通门设计的航姿参考系统。航姿参考系统是利用惯性传感器与磁场传感器来测量运动载体姿态角的一种导航系统，由于传统系统体积较大、精度比较低等因素的影响，严重限制了其发展应用。随着微机电技术(MEMS)和微机械技术的快速发展，为实现微型化、中高精度的航姿参考系统提供了条件。由于航姿参考系统的应用越来越广泛，研究及设计实现一种基于ARM处理器与惯性传感器、微型磁通门的航姿参考系统具有重要意义。
　　本文从航姿参考系统理论、系统硬件设计和系统软件设计及系统测试四个方面着手，完整设计并实现了应用于中高精度领域上的航姿参考系统。系统由加速度计、陀螺仪、微型磁通门和北斗模块组成，通过获取传感器的数据并进行滤波处理。针对不同传感器，采用不同的校正方法，结合姿态解算和数据滤波算法，实现了一个满足系统性能要求的航姿参考系统。
　　首先对航姿参考系统的基本理论进行了详细的介绍，其中主要包括系统中需要使用的坐标系、载体姿态测量原理、姿态解算方法及各算法间的比较、组合导航原理及北斗系统和惯性系统。通过对卡尔曼滤波相关算法的研究，提出了一种适合本文研究的航姿参考系统的惯北增益卡尔曼松组合导航滤波算法。
　　其次，针对需求设计了航姿参考系统的ARM总体设计方案。提出了硬件设计方案，对硬件每个组成部分进行了详细介绍;在硬件设计的基础上提出了软件设计方案，对软件采用模块化设计并介绍了软件实现方法。
　　最后为了验证系统是否达到设计需求，搭建了样机硬件测试平台，在样机硬件平台上实现了航姿参考系统的软件算法，验证了系统总体设计、电路设计和软件设计的合理性。实验测试结果显示设计的航姿参考系统系统在静态和动态条件下都符合系统性能要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 MEMS器件发展

1．2．2 磁场传感器发展

1．2．3 航姿参考系统发展

1．3 论文研究内容及创新

1．4 论文章节安排

第2章 航姿参考系统基本理论

2．1 系统常用坐标系

2．2 姿态测量原理

2．2．1 常见姿态解算方法

2．2．2 姿态算法比较

2．3 组合航姿参考系统原理

2．3．1 北斗卫星导航系统

2．3．2 惯性导航系统

2．3．3 组合导航的优势

2．4 自适应卡尔曼滤波算法

2．4．1 经典卡尔曼滤波

2．4．2 扩展卡尔曼滤波

2．4．3 自适应卡尔曼滤波

2．4．4 算法仿真

2．5 航姿参考系统设计

2．5．1 系统总体设计需求

2．5．2 系统总体设计方案

2．6 本章小结

第3章 航姿参考系统硬件设计

3．1 系统硬件设计

3．1．1 系统硬件设计

3．1．2 处理器选型

3．1．3 处理器电路

3．2 微型磁通门

3．2．1 磁通门研究

3．2．2 磁通门电路

3．2．3 航向角计算

3．2．4 磁通门误差补偿

3．3 加速度计

3．3．1 加速度计研究

3．3．2 加速度计电路

3．3．3 加速度计校正

3．4 陀螺仪

3．4．1 陀螺仪研究

3．4．2 陀螺仪电路

3．4．3 陀螺仪校正

3．5 北斗模块

3．6 电源模块

3．7 PCB设计及注意

3．8 本章小结

第4章 航姿参考系统软件设计

4．1 系统软件总体设计

4．2 九轴传感器软件设计

4．3 北斗模块软件设计

4．3．1 北斗滤波算法设计

4．3．2 北斗消息解析

4．4 组合导航算法设计

4．4．1 松组合导航

4．4．2 组合导航算法

4．5 本章小结

第5章 航姿参考系统测试

5．1 静态测试

5．1．1 传感器静态测试

5．1．2 北斗模块静态测试

5．2 动态测试

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录