惯性导航系统姿态信息校正设计

论文摘要

姿态信息是导航所需的重要参数,航天器和飞机正常工作的前提,姿态失控意味着航天器失效。姿态控制首先要进行姿态测量,通常是由陀螺来估计姿态。但是传统的陀螺价格高昂和大体积限制了其应用场合,而MEMS陀螺又精度较低,并且陀螺漂移会在短时间内引起较大的姿态误差。针对以上问题,本文采用了借助磁阻传感器和MEMS加速度传感器来校正陀螺姿态信息的方案,并以ARM7架构的处理器LPC2103为核心,构建了姿态信息校正系统的硬件平台,进行了相关软硬件设计与实验。论文首先概述了地磁导航的发展现状,并根据地磁导航原理原理推导了利用磁阻传感器和MEMS传感器获得载体姿态信息的方法:采用三轴加速度传感器获得载体加速度信息并求得俯仰角、横滚角,再通过三轴磁阻传感器获得的地磁信息和借助方向余弦矩阵求得载体航向角。开发了姿态校正系统的软、硬件设计方案,并制作出原理样机实物。在硬件设计中,介绍了传感器和主处理器的特点,完成了电源管理模块、信号调理模块、置位/复位模块、LCD模块的电路设计和PCB电磁兼容设计。在软件设计中,通过对传感器信号采集、防电磁脉冲干扰滤波、姿态信息解算实现在LCD上以图形和文本方式直观显示姿态信息。还分析了系统传感器误差产生机理,并进行误差补偿试验。实验结果表明,系统姿态信息误差约为1°,基本达到预期目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 地磁导航发展现状
• 1.2 本论文主要工作
• 2 地磁导航方法和原理
• 2.1 地球磁场简介
• 2.2 地磁导航技术分类
• 2.3 利用地磁测量载体姿态原理
• 3 系统硬件设计方案
• 3.1 核心器件选型
• 3.2 系统硬件模块设计
• 3.3 系统硬件PCB 电磁兼容设计
• 4 系统软件设计方案
• 4.1 系统姿态解算算法概述
• 4.2 系统处理器集成开发环境选择
• 4.3 系统资源初始化
• 4.4 姿态信息解算
• 4.5 姿态信息界面显示
• 5 系统误差分析及测试结果
• 5.1 磁阻传感器非正交误差及其标定方法
• 5.2 加速度传感器误差分析及其标定方法
• 5.3 罗差及其补偿
• 5.4 其他误差来源
• 5.5 测试结果
• 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 系统原理图
• 附录2 系统PCB 图
• 附录3 攻读硕士学位期间发表的论文目录