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基于9轴传感器的姿态参考系统研究与实现

郑健  
【摘要】:姿态参考系统是利用传感器等惯性器件来测量载体姿态角的一种惯导系统。随着微机电技术(MEMS)的飞速发展及新型高性能元器件的出现,为实现较高精度的姿态测量系统提供了条件。因此姿态参考系统的应用越发广泛。设计及实现基于MEMS传感器的姿态系统具有重要意义。 本文从姿态参考系统理论、系统软硬件设计和实验三个方面着手,完整设计并实现了性能优异的姿态仪。系统由加速度计、陀螺仪和电子罗盘组成,通过提取传感器的信息并进一步滤波处理,剥离干扰信号提高系统精度。针对不同传感器及使用环境,采用不同的姿态解算及信号融合算法,实现了一个可靠稳定的姿态参考系统。 首先,根据姿态参考系统的参数指标,设计了基于9轴传感器的姿态参考系统的硬件系统。考虑系统的经济性及系统性能,从产品型号、价格、器件参数和使用环境等综合对比,设计系统的具体硬件电路。 然后,考虑载体的不同应用环境及传感器不同的特点,分别设计了软件算法。在平衡状态下,以加速度信息和电子罗盘的磁场信息为主导来解算姿态角度;在动态条件下,以陀螺仪输出的信号为主导,采用四元数为状态变量,利用卡尔曼滤波(KF)方法,得到载体的姿态数据。在数据融合中,由于互补滤波参数难以确定,本文提出两种方法:一是引入加速度传感器的信号模作为互补滤波器参数确定的一个重要参量,因为根据加速度的模系统可以判断载体的运动剧烈程度,相比于静态参数更能拟合载体姿态;由于实际系统往往存在一定的可预见性,另一方法就是通过用户输入使控制系统预知接下来所处环境特点,主动设置恣态系统的参数,从而提高系统响应速度及姿态测量精度。 最后,在设计制作的硬件平台上实现了姿态参考系统的全部软件算法,验证了电路设计和软件设计的合理性。实验证明系统在静态和动态条件下均具有优异性能,其动态响应快速、静态精度高、稳定性好。


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