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硅微航姿系统技术研究

王磊  
【摘要】: 近年来,随着微机械技术以及惯性技术的不断发展,由微机械惯性传感器构建的航向姿态参考系统成为国内外学者的研究热点。这种航姿系统具有价格低廉、体积小、质量轻、集成度高以及可靠性高等特点,在航空、航天、汽车、通讯和军事等领域有着十分广阔的应用前景。 本文的研究对象是由微机械加速度计、微机械陀螺仪、磁强计、外围电路及数字信号处理器构成的硅微航姿系统。利用加速度计和磁强计分别测得的重力向量和地磁向量来修正陀螺测得的载体姿态,通过卡尔曼滤波器进行多传感器的数据融合,最终给出航向和姿态的最优估值。 本文的主要研究内容: 1.确定了由微机械陀螺仪、微机械加速度计和磁强计所构成的航姿系统方案。分析了微惯性航姿系统的误差,对传感器进行了系统级标定。传感器误差补偿后,进行了航姿系统的初始对准。利用初始对准得出的初始姿态角通过四元数解算及卡尔曼滤波,最终给出航向和姿态的最优估计。针对航姿系统动态条件下的应用特点,对卡尔曼滤波器进行滤波参数的自适应改进。 2.编写了航姿系统的在线测试分析及数据保存软件,该软件可将传感器的输出信息和解算后得到的姿态角信息以二维图像的形式进行实时显示,利用OpenGL技术对航姿系统的运动状态进行三维同步追踪。该软件的算法部分全部由C#语言实现,为后续针对数字信号处理器的代码移植提供了参考。 3.利用Xsens公司的MTi模拟航姿系统实物,对MTi系统进行原始数据的采集,运用本文的算法进行姿态估计并进行相应的实验调整。通过实验数据确定卡尔曼滤波的自适应参数,给出测试结果及其相应分析。将解算后的姿态和航向数据与MTi的输出进行对比,验证了算法的实用性。研究结果表明此种结构的航姿系统利用该算法可以达到预期的精度要求,同时也证明了本文所用的硅微航姿系统的设计方案可行。


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