基于MEMS惯性器件的SINS+GPS导航系统及输入信号研究

摘要

论文主要研究如何基于MEMS惯性器件搭建SINS+GPS组合导航系统平台。依靠建立的导航系统对输入的惯性输入器件（陀螺仪）的信号进行了数据分析，讨论了IIR数字低通滤波器对惯性输入器件的信号识别和随机误差的影响。论文首先阐述了导航系统的特点及发展过程，以及近年来惯性器件发展的趋势，分析了基于MEMS惯性器件的SINS+GPS组合导航系统的优势及特点，提出了开发此类组合导航系统的思路。
　　 论文说明了导航系统所需完成的功能，提出了采用模块化方式开发整套系统的原则并说明了其优势和特点。根据器件选型的条件，在设计中参照市场情况和性能价格因素，选择适合的MEMS微机电陀螺(LCG-50)和加速度计(1221J)以及GPS接收模块(OEM4-G2L)作为传感器输入模块。
　　 硬件方面论文着重阐述了数据采集处理模块（基子FPGA: EP2C20和MCU:C8051F064模式），中心处理模块（基于DSP: TMS320C6713模式），外部通讯模块以及电源模块的硬件选型和构成，并给出了相关的电路设计和设计要点，以及硬件可靠性设计的原则。论文中软件部分采用了高级语言和汇编语言混合编程的方式，在保证系统实时性的前提下，提高了开发效率同时增强了系统的灵活性和高效型。文中给出了DSP和MCU的软件运行的流程图，重点描述了操作外部器件(外部寄存器、外部温度侍感器DS18B20)的详细的程序流程，并分析了DSP的中断程序和BOOTLOADER机制。在系统搭建完成后，对整套系统进行了测试，测试表明整套系统能够满足测量、导航计算、通讯、自检测试、仿真测试等设计的功能需求。
　　 论文中还阐述了如何对输入信号进行处理。在已有的导航系统基础上，针对漂移误差大的MEMS陀螺器件进行了标定和静态、动态信号的采集。在MATLAB软件平台下对信号进行了分析，并且根据信号的频率特性，采用软件仿真的方法构造了不同截止频率的IIR巴特沃斯低通滤波器，对陀螺信号进行滤波处理。同时通过使用比较常用的惯性器件误差分析方法-ALLAN方差法对原始信号和滤波信号进行分析，发现系统中的MEMS陀螺仪LCG-50的随机误差主要由角度随机游走、零偏不稳定性、角速率随机游走三部分组成，并给出了相关数据；测试中还发现使用IIR数字低通滤波器对于降低信号的波动性，突出有效信号有一定的效果，低通滤波器截止频率越低，效果越好，而且造成的信号延迟很小，但是滤波器对于降低系统中MEMS惯性器件-陀螺仪LCG50的随机误差没有明显效果。
　　 设计搭建一套基于市场化MEMS惯性器件的SINS+GPS组合导航系统，并且对惯性器件进行信号的分析和研究，不但可以提供一个基于MEMS惯性器件研究开发SINS+GPS导航系统的平台，并且为进一步对MEMS惯性器件进行分析、误差弥补，对SINS+GPS导航算法进行修正甚至整套系统的实际应用提供了一个良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

谨献

1 引言

1.1 课题背景

1.1.1 导航

1.1.2 导航系统的种类

1.1.3 捷联惯导+GPS卫星定位导航(SINS+GPS)组合导航系统

1.1.4 MEMS微机电惯性器件的出现和优势

1.2 国内外发展的状况

1.2.1 国内外对SINS+GPS组合导航系统的研究和应用

1.2.2 国内外对基于MEMS惯性器件导航系统的研究和应用

1.2.3 对MEMS惯性器件的信号处理

1.3 课题的意义

1.4 主要研究内容

2 SINS+GPS组合导航系统基本原理

2.1 常用坐标系

2.2 导航系统的机理

2.2.1 捷联惯性导航

2.2.2 SINS+GPS组合导航

3 组合导航系统的构成

3.1 组合导航系统功能

3.2 组合导航系统硬件构成

3.2.1 系统硬件总体设计

3.2.2 MEMS惯性器件选择

3.2.3 GPS接收模块选择

3.2.4 数据采集处理模块

3.2.5 中心处理模块

3.2.6 外部通讯模块

3.2.7 电源模块

3.3.8 硬件可靠性设计

3.3 组合导航系统软件设计

3.3.1 单片机部分软件设计

3.3.2 DSP部分软件设计

3.4 组合导航系统测试

4 惯性器件输入信号处理

4.1 输入信号测试方法

4.1.1 测试设备

4.1.2 测试软件

4.2 数据测试

4.2.1 标定测试

4.2.2 零偏和零偏稳定性测试

4.2.3 摇摆测试

4.3 输入数椐处理

4.3.1 原始数据分析

4.3.2 IIR数据滤波

4.3.3 ALLAN方差法分析数据

5 总结与展望

参考文献

附录1：部分电路图

DSP-TMS320C6713部分电路图

MCU-C8051F064部分电路图

FPGA-EP2C20部分电路图

电路板实物图

附录2：DS18B20子程序

DS18B20复位程序

DS18B20写子程序

DS18B20读子程序

附录3：MATLAB部分程序

双线性变换获得IIR滤波器参数

IIR直接Ⅱ型滤波程序

致谢

个人简历

发表的学术论文