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基于MEMS的惯性导航系统研究与设计

张晓玉  
【摘要】:惯性导航系统因为其自身不需要依靠外部信息,自主性强,体积小,结构简单,能耗低等优点和性能特点,在军事、民用、科研、航空、航海等领域得到了广泛的应用。本文从理论与实际惯性导航硬件的设计制作两个方面对惯性导航系统进行了系统的研究。论文的主要工作如下: 根据四元数算法的基本理论,本文首先阐述了捷联式惯性导航系统的基本原理,采用毕卡逼近法求解四元数微分方程,并由此计算姿态矩阵,从而求解得到惯性导航的姿态角,将加速度传感器的输出按姿态角进行比力变换与积分,求得位置参数。 基于MEMS器件和ARM9处理器,详细描述了惯性导航系统的硬件设计方法,设计了基于ITG-3200陀螺仪、ADXL345加速度计、基于HMC5843电子罗盘的MEMS传感器的外围电路,同时对电源电路、通讯接口等进行了描述。在惯性导航的软件设计方面,描述了嵌入式操作系统的选择,uC/OS-Ⅱ操作系统在ARM9处理器上的具体移植,详细阐述了MEMS传感器数据采集任务、导航计算任务、导航结果输出任务的设计方法,以及三个任务之间的通信及协调控制方法。此外,采用Qt上位机编程工具,利用VTK作为3D渲染引擎,设计了姿态显示界面,详细描述了在Qt中加载三维图形的方法,惯性导航处理器与姿态显示界面之间通信协议的实现。最后,设计了基于状态机的协议解析方法,并且对采集到的传感器数据,导航计算的结果进行了系列的对比与分析。 论文基于MEMS传感器和ARM9处理器,设计实现了惯性导航系统的硬件和软件平台,通过实际采集与计算数据的分析,验证了方案的可行性。结果表明:本文设计的基于MEMS器件的惯性导航系统能够满足惯性导航系统的一般计算要求,可用于普通民用设备的自主导航。另外,本课题研究的惯性导航系统也作为其它导航系统的有力补充,在组合导航系统中为其它导航方式提供补偿,提高组合导航系统的精度。


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