MEMS-IMU的航姿确定方法的研究
随着飞机、船以及车用导航等事业的发展，系统对姿态信息的精度要求越来越高。为了能够实现对机体的状态的有效控制，就要求姿态检测系统的精度高、实时性好。本课题利用加速度、陀螺和磁场感器组成的惯性导航系统，实现载体的姿态测量，研究姿态测量系统的姿态算法，分析姿态测量系统的检测原理，并重点给出利用四元数法解算运动轴的角度的方法，以及分析梯度下降法减小角度漂移的原理。
为了验证上述航姿确定方法的可行性和准确性，姿态测量系统的设计，选取了 MEMS 传感器作为姿态检测的数据采集单元，该系统利用 STM32 单片机作为主控制单元来实现数据处理，通过I2C接口实现传感器与单片机的连接。同时采用串口通信，实现下位机与上位机的数据传输。通过显示软件实现对姿态控制系统的输出参数和解算参数进行实时观测。 M000185
关键词：MEMS传感器 航姿确定 坐标变化 四元数 梯度下降法
With the aerospace, marine and automotive navigation business development , precision attitude information systems are increasingly highly required . In order to achieve effective control of the trajectory of a variety of carriers , it requires high- precision gesture detection and real good system. This topic uses inertial navigation system which including acceleration, gyro and Magnetic sensors to achieve carrier gesture information . The attitude measurement system system involves researching , attitude algorithm.The emphasis is given to the quaternion solver and analysis gradient descent principle to reduce the angle error .
In order to verify the feasibility and accuracy of navigation position determination method, the design of attitude measurement system selected MEMS sensor to do as data acquisition unit . And It uses the STM32 microcontroller as the main control unit to achieve data. Sensor and microcontroller are connected with I2C. At the same time , the system uses serial communication to transfer data to PC .PC Software display the output parameters and is used for observing 3D information of carrier for real-time .
Key words: MEMS sensors; AHRS identified; coordinate changes; quaternion; gradient descent
目录 查看完整请+Q:351916072获取
1.绪论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2航姿测量系统的研究发展现状 1
1.3论文主要研究内容及结构安排 2
2.航姿确定方法的理论分析 3
2.1坐标变换原理 3
2.1.1坐标系的定义 3
2.1.2姿态角与姿态矩阵 3
2.2姿态矩阵更新算法 5
2.2.1欧拉角法 5
2.2.2方向余弦法 6
2.2.3四元数法 6
2.3 航姿融合算法原理 8
2.3.1梯度下降法的简单概述 10
2.3.2航姿融合算法实现 10
3.系统硬件设计 15
3.1系统的总体结构 15
3.2主控单元硬件设计 16
3.2.1 单片机最小系统的设计 16
3.2.2 调试工具设计 16
3.3 MEMS传感器的硬件设计 17
3.3.1陀螺仪硬件电路设计 17
3.3.2加速度计硬件电路设计 18
3.3.3磁强计硬件电路设计 18
4.系统的软件设计 20
4.1系统的总体软件设计 20
4.2陀螺仪软件设计 21
4.2.1陀螺仪软件驱动设计 21
4.2.2陀螺仪的校正 21
4.3加速度计软件设计 23
4.3.1加速度计软件驱动设计 23
4.3.2加速度计校正 24
4.4磁强计软件设计 26
4.4.1磁强计软件驱动设计 26
4.4.1磁强计校正 27
4.5航姿确定软件设计 29
5.系统的调试与结果验证 33
5.1航姿测量系统的调试 33
5.2航姿融合算法的结果验证 34
5.2.1静态条件下验证 34
5.2.1动态条件下验证 35
6.总结与展望 37
6.1 总结 37
6.2 展望 37
参考文献 38
附录 39
附录一 系统部分原理图 39
附录二 系统实物图 39
附录三 系统部分核心代码 39
致谢 42
1 .绪论
1.1课题研究背景与意义
将载体从起点引导到目的地的方法或技术称之为导航，导航系统测量出载体的瞬时运动状态和位置，然后提供给自动驾驶仪或驾驶员实现对运载体的正确操纵。导航技术是一门多学科交叉学科，在军用领域和民用领域均有着广泛的应用前景。九十年代以后，与之相关学科的先进技术有力促进了导航技术的飞速发展。
随着科学技术的发展，可利用的导航信息源也越来越多，导航系统的种类也越来越多，以航空导航来说明，当前可供装备的导航系统有惯性导航系统、GPS导航系统、北斗导航系统。
随微机械制造技术、微纳米技术和集成光学芯片技术的发展，微机械电子系统（MEMS）的惯性传感器正在得到广泛的重视和发展，极大拓宽了惯性技术的发展应用领域。较传统的惯性机电传感器，MEMS 惯性传感器最大的优点是体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。目前，飞速发展中的导航系统中正在或者已经大量采用这种微型器件，但是惯性导航系统具有固有的缺点：导航精度随着时间的变化而发散，即长期稳定性比较差。所以本课题针对这个问题对建立基于MEMS-IMU（微机械电子系统-惯性测量单元）的姿态测量系统进行航姿确定方法进行研究。
1.2航姿测量系统的研究发展现状
航向姿态测量系统是导航系统的核心部件，它的主要功能是测量机体的俯仰角、航向角和横滚角三个姿态信息。传统的航向姿态测量系统是由三个陀螺仪组成的。从上个世纪三十年代中期开始，航向姿态测量领域广泛采用机械转子式陀螺。七十年代以后，激光陀螺及光纤陀螺的相继出现与实用化，逐渐取代了造价高昂、体积庞大且容易损坏的传统的由三个机械陀螺仪组成的航向姿测量系统。八十年代末，MEMS惯性器件的出现使得航向姿测量系统在体积和成本上得到大大的缩减。九十年代初美国的Draper4实验室进行了基于MEMS陀螺与加速度计的微惯性测量系统（IMU）的研究，并根据航空，导弹等领域的实际应用不断改进。2004年这家实验室新研制的MEMS-IMU，体积仅，输入电压为，总功耗为，加速度最强可承受，陀螺零偏和标度因数的多次启动重复性分别为和。2006年，AD公司将一款ADIS16350型IMU推向市场，其内部陀螺漂移为，可承受加速度的冲击。
从国内外环境来看，由于受到各种因素的限制，MEMS-IMU在精度以及稳定性等方面与基于传统机械、激光、光纤陀螺的系统相比仍然有较大差距，同时受限于惯性导航系统固有的误差随时间积累问题，基于MEMS惯性器件的航向姿态测量系统尚不能完全独立完成实时稳定的姿态测量任务。因此各国纷纷开展MEMS惯性器件与磁强计、GPS等的组合测姿系统的研究，有很大的成果，大量的优秀产品出现。其中MEMS-IMU与磁强计组合的产品具有完全自主性。
我国在该领域的研究工作起步较晚，清华大学、北京航空航天大学、东南大学、哈尔滨工业大学，西北工业大学等都相继开展了相关研究，总体来说目前正处于从原理样机研制向工程应用过渡阶段，还没有成型的产品推向市场。
上述航姿系统一般只能在加速度与地磁向量不受很大干扰的环境下提供可靠的姿态信息，为提高系统的稳定性，经常引入GPS信息，但不是本文研究的重点，本课题主要研究磁强计和加速度计补偿陀螺的漂移，并给出了实测结果，证明算法的可行性。
1.3论文主要研究内容及结构安排
本文的主要目的是研究并建立一个基于MEMS器件的航向姿态测量系统，以实现系统的小型化，低成本，在此平台基础上进行算法研究，验证其可行性，克服惯性导航系统的固有误差，使系统具有较高的精度。
本论文的主要内容有以下几点：
1.航向姿态测量系统的原理及解算方法。分析姿态矩阵更新的几种算法，并重点讨论四元数法在姿态矩阵更新中的应用，推导出求解四元数微分方程，并进行离散化。
2.航向姿态测量系统的航向误差校正。虽然航向测量系统具有小体积，价位低的优点，然而由于MEMS陀螺仪精度较差，并不能准确判断航向，所以在航向姿态测量系统的使用中加上了数字化磁罗盘即磁强计用以误差校正和初始对准。
3.航向姿态测量系统硬件平台的搭建，以及各个模块的设计，传感器的软件校正。
4.航向姿态测量系统的调试与验证。
2. 航姿确定方法的理论分析
本章的主要任务是对航姿确定方法的理论分析，在理论分析之前对坐标变换原理的介绍对理解后文的姿态矩阵更新算法，航姿融合算法来说意义较大。
2.1坐标变换原理
2.1.1坐标系的定义
MEMS陀螺的输出值是载体坐标系相对于惯性坐标系的角速度信息，姿态是导航坐标系各轴与载体坐标系各轴之间的夹角信息。在选择姿态更新算法之前，必需根据课题应用环境对惯性坐标系、导航坐标系进行选取，在这里只对载体坐标系和导航坐标系进行介绍。
(1)载体坐标系
载体坐标系是指与载体相对固定的坐标系。载体坐标系的原点选在载体的重心，X轴沿载体纵轴指向前方，Y轴沿载体横轴指向右侧，Z轴垂直于OXY平面指向下方，记作。具体如图2-1所示： 查看完整请+Q:351916072获取
为了验证上述航姿确定方法的可行性和准确性，姿态测量系统的设计，选取了 MEMS 传感器作为姿态检测的数据采集单元，该系统利用 STM32 单片机作为主控制单元来实现数据处理，通过I2C接口实现传感器与单片机的连接。同时采用串口通信，实现下位机与上位机的数据传输。通过显示软件实现对姿态控制系统的输出参数和解算参数进行实时观测。 M000185
关键词：MEMS传感器 航姿确定 坐标变化 四元数 梯度下降法
With the aerospace, marine and automotive navigation business development , precision attitude information systems are increasingly highly required . In order to achieve effective control of the trajectory of a variety of carriers , it requires high- precision gesture detection and real good system. This topic uses inertial navigation system which including acceleration, gyro and Magnetic sensors to achieve carrier gesture information . The attitude measurement system system involves researching , attitude algorithm.The emphasis is given to the quaternion solver and analysis gradient descent principle to reduce the angle error .
In order to verify the feasibility and accuracy of navigation position determination method, the design of attitude measurement system selected MEMS sensor to do as data acquisition unit . And It uses the STM32 microcontroller as the main control unit to achieve data. Sensor and microcontroller are connected with I2C. At the same time , the system uses serial communication to transfer data to PC .PC Software display the output parameters and is used for observing 3D information of carrier for real-time .
Key words: MEMS sensors; AHRS identified; coordinate changes; quaternion; gradient descent
目录 查看完整请+Q:351916072获取
1.绪论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2航姿测量系统的研究发展现状 1
1.3论文主要研究内容及结构安排 2
2.航姿确定方法的理论分析 3
2.1坐标变换原理 3
2.1.1坐标系的定义 3
2.1.2姿态角与姿态矩阵 3
2.2姿态矩阵更新算法 5
2.2.1欧拉角法 5
2.2.2方向余弦法 6
2.2.3四元数法 6
2.3 航姿融合算法原理 8
2.3.1梯度下降法的简单概述 10
2.3.2航姿融合算法实现 10
3.系统硬件设计 15
3.1系统的总体结构 15
3.2主控单元硬件设计 16
3.2.1 单片机最小系统的设计 16
3.2.2 调试工具设计 16
3.3 MEMS传感器的硬件设计 17
3.3.1陀螺仪硬件电路设计 17
3.3.2加速度计硬件电路设计 18
3.3.3磁强计硬件电路设计 18
4.系统的软件设计 20
4.1系统的总体软件设计 20
4.2陀螺仪软件设计 21
4.2.1陀螺仪软件驱动设计 21
4.2.2陀螺仪的校正 21
4.3加速度计软件设计 23
4.3.1加速度计软件驱动设计 23
4.3.2加速度计校正 24
4.4磁强计软件设计 26
4.4.1磁强计软件驱动设计 26
4.4.1磁强计校正 27
4.5航姿确定软件设计 29
5.系统的调试与结果验证 33
5.1航姿测量系统的调试 33
5.2航姿融合算法的结果验证 34
5.2.1静态条件下验证 34
5.2.1动态条件下验证 35
6.总结与展望 37
6.1 总结 37
6.2 展望 37
参考文献 38
附录 39
附录一 系统部分原理图 39
附录二 系统实物图 39
附录三 系统部分核心代码 39
致谢 42
1 .绪论
1.1课题研究背景与意义
将载体从起点引导到目的地的方法或技术称之为导航，导航系统测量出载体的瞬时运动状态和位置，然后提供给自动驾驶仪或驾驶员实现对运载体的正确操纵。导航技术是一门多学科交叉学科，在军用领域和民用领域均有着广泛的应用前景。九十年代以后，与之相关学科的先进技术有力促进了导航技术的飞速发展。
随着科学技术的发展，可利用的导航信息源也越来越多，导航系统的种类也越来越多，以航空导航来说明，当前可供装备的导航系统有惯性导航系统、GPS导航系统、北斗导航系统。
随微机械制造技术、微纳米技术和集成光学芯片技术的发展，微机械电子系统（MEMS）的惯性传感器正在得到广泛的重视和发展，极大拓宽了惯性技术的发展应用领域。较传统的惯性机电传感器，MEMS 惯性传感器最大的优点是体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。目前，飞速发展中的导航系统中正在或者已经大量采用这种微型器件，但是惯性导航系统具有固有的缺点：导航精度随着时间的变化而发散，即长期稳定性比较差。所以本课题针对这个问题对建立基于MEMS-IMU（微机械电子系统-惯性测量单元）的姿态测量系统进行航姿确定方法进行研究。
1.2航姿测量系统的研究发展现状
航向姿态测量系统是导航系统的核心部件，它的主要功能是测量机体的俯仰角、航向角和横滚角三个姿态信息。传统的航向姿态测量系统是由三个陀螺仪组成的。从上个世纪三十年代中期开始，航向姿态测量领域广泛采用机械转子式陀螺。七十年代以后，激光陀螺及光纤陀螺的相继出现与实用化，逐渐取代了造价高昂、体积庞大且容易损坏的传统的由三个机械陀螺仪组成的航向姿测量系统。八十年代末，MEMS惯性器件的出现使得航向姿测量系统在体积和成本上得到大大的缩减。九十年代初美国的Draper4实验室进行了基于MEMS陀螺与加速度计的微惯性测量系统（IMU）的研究，并根据航空，导弹等领域的实际应用不断改进。2004年这家实验室新研制的MEMS-IMU，体积仅，输入电压为，总功耗为，加速度最强可承受，陀螺零偏和标度因数的多次启动重复性分别为和。2006年，AD公司将一款ADIS16350型IMU推向市场，其内部陀螺漂移为，可承受加速度的冲击。
从国内外环境来看，由于受到各种因素的限制，MEMS-IMU在精度以及稳定性等方面与基于传统机械、激光、光纤陀螺的系统相比仍然有较大差距，同时受限于惯性导航系统固有的误差随时间积累问题，基于MEMS惯性器件的航向姿态测量系统尚不能完全独立完成实时稳定的姿态测量任务。因此各国纷纷开展MEMS惯性器件与磁强计、GPS等的组合测姿系统的研究，有很大的成果，大量的优秀产品出现。其中MEMS-IMU与磁强计组合的产品具有完全自主性。
我国在该领域的研究工作起步较晚，清华大学、北京航空航天大学、东南大学、哈尔滨工业大学，西北工业大学等都相继开展了相关研究，总体来说目前正处于从原理样机研制向工程应用过渡阶段，还没有成型的产品推向市场。
上述航姿系统一般只能在加速度与地磁向量不受很大干扰的环境下提供可靠的姿态信息，为提高系统的稳定性，经常引入GPS信息，但不是本文研究的重点，本课题主要研究磁强计和加速度计补偿陀螺的漂移，并给出了实测结果，证明算法的可行性。
1.3论文主要研究内容及结构安排
本文的主要目的是研究并建立一个基于MEMS器件的航向姿态测量系统，以实现系统的小型化，低成本，在此平台基础上进行算法研究，验证其可行性，克服惯性导航系统的固有误差，使系统具有较高的精度。
本论文的主要内容有以下几点：
1.航向姿态测量系统的原理及解算方法。分析姿态矩阵更新的几种算法，并重点讨论四元数法在姿态矩阵更新中的应用，推导出求解四元数微分方程，并进行离散化。
2.航向姿态测量系统的航向误差校正。虽然航向测量系统具有小体积，价位低的优点，然而由于MEMS陀螺仪精度较差，并不能准确判断航向，所以在航向姿态测量系统的使用中加上了数字化磁罗盘即磁强计用以误差校正和初始对准。
3.航向姿态测量系统硬件平台的搭建，以及各个模块的设计，传感器的软件校正。
4.航向姿态测量系统的调试与验证。
2. 航姿确定方法的理论分析
本章的主要任务是对航姿确定方法的理论分析，在理论分析之前对坐标变换原理的介绍对理解后文的姿态矩阵更新算法，航姿融合算法来说意义较大。
2.1坐标变换原理
2.1.1坐标系的定义
MEMS陀螺的输出值是载体坐标系相对于惯性坐标系的角速度信息，姿态是导航坐标系各轴与载体坐标系各轴之间的夹角信息。在选择姿态更新算法之前，必需根据课题应用环境对惯性坐标系、导航坐标系进行选取，在这里只对载体坐标系和导航坐标系进行介绍。
(1)载体坐标系
载体坐标系是指与载体相对固定的坐标系。载体坐标系的原点选在载体的重心，X轴沿载体纵轴指向前方，Y轴沿载体横轴指向右侧，Z轴垂直于OXY平面指向下方，记作。具体如图2-1所示： 查看完整请+Q:351916072获取
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