基于mems的微小型嵌入式航姿参考系统研究-陈宇捷.docx

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1、上海交通大学 硕士学位论文 基于 MEMS的微小型嵌入式航姿参考系统研究 姓名：陈宇捷 申请学位级别：硕士 专业：导航、制导与控制 指导教师：钱峰 20090101 基于 MEMS的微小型嵌入式航姿参考系统研究 摘要 传统的航姿系统精度虽高但是成本也很高，而且体积也偏大，往 往只适用军事领域，在民用领域难以大规模使用。然而在越来越多的 民用领域，如电子玩具、三维仿真、运动检测、机器人、 VR游戏等 领域，都急需低成本小型化航姿参考系统。随着嵌入式系统的飞速发 展及新型高性能惯性元器件的出现，使得研究低成本小型化航姿参考 系统成为可能。本文研究一种基于微机电系统 （ MEMS)传感器与数 字信号

2、处理器 （ DSP)的微小型航姿参考系统，具有低成本、小型化 等特点，且具有较高的精度。 本论文首先介绍了航姿参考系统的基本理论和工作原理，包括惯 性系统中的常用坐标系的定义、载体的姿态表示与坐标转换、惯性导 航系统的基本方程以及姿态方程，并对捷联姿态算法做了初步阐述。 本文采用四元数法解算姿态矩阵，同时采用卡尔曼滤波算法修正摇摆 载体的姿态误差来计算载体的姿态。 其次，本论文给出 了整个基于 MEMS的航姿参考系统的总体设计 方案。此系统由传感器模块、数据采集模块、微处理器及外围接口、 串口通信模块及上位 PC机等组成。系统的传感器模块采用 ADI公司 三轴惯性组合 ADIS16350及 H

3、oneywell公司的三轴磁阻传感器 HMC1021Z/1022组成；数据采集模块主要是为了解决信号拾取，信 号放大，信号 A/D转换与干扰抑制等诸多问题。通过 DSP系统来完 成导航计算，并将所计算的导航姿态信息通过串行通讯口在上位机上 实时显示出来。本文给出了器件的选择方案，系统整体框图，硬件电 路结构原理 图，软件算法流程图和部分的应用程序，并对此进行了详 细的阐述。 第 I页 最后，本文将软硬件系统进行集成、调试，形成了一个可独立运 行的嵌入式 DSP系统，并设计了验证实验。实验结果表明，系统基 本能满足设计需要，与市场上现有成熟产品的结果相比，误差在可接 受范围内。 MEMS传感器作

4、为数据采集单元，配合 DSP作为运算和 控制单元的航姿系统结构紧凑，重量轻，成本比采用传统光纤陀螺的 捷联航姿系统要低，同时具有更高的可靠性，适用于对精度要求不高 的场合。 关键词：航姿参考系统，微机电系统，四元数，卡尔曼滤波，数字信 号处理器 第 II页 RESEARCH OF MICRO AND EMBEDDED ATTITUDE AND HEADING REFERENCE SYSTEM BASED ON MEMS ABSTRACT Although the triditional Attutude and Heading Reference System (AHRS) provides

5、a high level of precision, however, the high cost and a large size made it impossible to be used for the civil technologies but military fields. In more and more civil fields, the huge demand of this technology, such as the electronical toys, tridimensional emulation, sports detection, robots and VR

6、 games, a low-cost and micro AHRS can greatly benefit the technology development in these areas. With the rapid development of embedded system and the appearance of newly high-performed inertial components, its possible to design a low-cost and micro AHRS. The paper researches a kind of AHRS which b

7、ases on Micro Electro Mechanical System (MEMS) and Digital Singal Processor (DSP). It characterizes low cost, small volume and higher precision. Firstly, the basic theories and operational principles of AHRS are introduced, including the definition of usually coordinates in inertia system, carriers

8、attitude denotation and coordinates conversion, basic equation and attitude equation in inertia system. Then elementarily expatiate the attitude algorithm. Quaternion algorithm is used to calculate the attitude matrix in this paper. Kalman filter algorithm is used to modify the attitude error of vib

9、rational carrier. Secondly, the whole system design of AHRS based on MEMS is given in the paper. The system consists of sensor module, data collection module, DSP and periphery port, serial communication module and PC. The sensor module is composed by ADIs tri-axis inertial sensor ADIS16350 and Hone

10、ywells tri -axis magnetometer HMC1021Z/1022. The data coolection module is mainly used to collect the sensor singal, magnify the 第 III页 singal, transmit the singal from Analog singal to Digital singal and restrain noise. DSP is used to calculate the attitude and heading. All attitude information are

11、 shown in the screen of PC through the serial communication port. Components selection, system block chart, circuit diagram, software algorithm flow chart and part of application programs are discussed in detail. Lastly, the software and hardware are integrated into an embedded DSP system which can

12、singly works. Experiments are designed to validate the system. The result shows that the system can meet the requirement. The error of the system to some companys products is acceptable. AHRS which uses MEMS sensor for data collection unit and combines DSP for calculation and control, has compact st

13、ructure, light weight, and lower price than conventional AHRS. It is also dependable and applicable to those fields which has low requirement of AHRSs precision. Keywords: Attitude and Heading Reference System, Micro Electro Mechnical System, Quaternion, Kalman filter, Digital Singal Processor 第 IV页

14、 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部 n或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在年解密后适用本授权书 ” 年 / 月 ， 議 年 / 月 / 旧 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文屮己经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发及或撰写过的作品

15、成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结采由木人承担。 第一章绪论 1.1论文研究的背景和意义 1.1.1惯性导航系统概述 惯性导航系统 INS(Inertial Navigation System)是随着惯性传感器发展起来的一门 导航技术，它完全自主、不受干扰、输出信息量 大、输出信息实时性强等优点使其在 航空航天航海及民用相关领域 (如地质勘探、重力测量、石油钻井、大地测量等 )得到 了广泛应用 1。 惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，利用惯性测量元件 （ 加速度 计、陀螺仪）测量载体相对于惯性空间的运动参数，并经过

16、计算后实施导航任务的。 由陀螺仪测量载体的角运动和由加速度计测量载体的加速度，在给定运动初始条件 下，经转换、处理，输出载体的姿态和航向 2。惯性导航系统通常由惯性测量单元 IMU(Inertial Measurement Unit)、 导航计算机、控制显示装置等组成。其中的关键是 惯性测量单元，它的精度决定了整个导航系统的精度。惯性测量单元包括 3个加速度 计和 3个单自由度陀螺仪，前者用来测量载体沿导航坐标系三个轴向的线加速度，后 者用来测量载体绕三个轴的转动以构成一个物理平台或 “ 数学平台 ” 3。 按惯性测量单元在载体上的安装方式，惯性导航系统可分为捷联式惯导系统和平 台式惯导系统

17、4。平台式惯导系统是将惯性测量元件安装在惯性平台 (物理平台 )的台 体上，它虽然精度较高，但是，其结构复杂、成本高、体积大，可靠性差。而捷联式 惯导系统则不需 要实体的导航平台，它是把惯性测量元件直接安装在载体上，用计算 机数学平台来代替传统的机械平台，具有结构简单、可靠性高且维护方便等优点，但 计算量较大。因此导航系统一般都选用捷联式。 1.1.2微机电系统概述 MEMS (Micro Electro Mechanical System)即微机电系统 567，是指可以批量制 造的，集微型结构、微型传感器、微型执行器以及信号处理电路、接口、通讯和电源 于一体的微型器件或系统。它用相对较低的成

18、本把具有超前功能的、可靠的、复杂的 系统置于一个小小的硅片上，并 将灵敏的感觉和控制功能与微电子元件集成为一体， 从而极大地拓宽了其设计及运用空间。微机电系统是 20世纪末 21世纪初兴起的工 程科学前沿，是当前一个十分活跃的研究领域。它涉及多学科的交叉，如材料、机械、 电子、信息等各工程技术学科。微机电系统有着广泛的应用前景，它在汽车工业、生 物医学工程、航天航空、精密仪器、移动通信、国防科技等方面都有极大的发展潜力， 而微型惯性测量组合 (Micro Inertial Measurement Unit， MIMU)是微机电系统的一 个重要分支，是国际上近年来发展起来的新技术，是一种依靠自身

19、设备的自主式惯性 测量组合，隐蔽性好；同时它具有数据更新率高、短期精度和稳定性好等特点，加之 其具有体积小、重量轻等优点，这种技术在军事导航及民用领域正在起到越来越大的 作用。因此，微惯性测量组合的研究成为近年来惯性技术的一个发展方向，是我国 MEMS计划中重点发展的领域之一。 1. 1.3国内外惯导系统研究现状 (1) 国外惯导系统研究现状 早在 1956年，美国就有了捷联式惯导系统的专利，但当时由于缺乏适用于捷联 式的惯性仪表和计算机，所以无法实现。随着电子技术 的发展，大容量、高速度微型 计算机的出现，以及以可靠性为主要考虑因素的航天技术的需要，促使人们对捷联系 统进行研究。六十年代初，

20、美国联合飞机公司哈密尔顿标准中心研制的 LM/ASA捷联 惯导系统，首先在 “ 阿波罗 ” 登月舱中得到了应用 3。六十年代至七十年代捷联式惯导 系统蓬勃发展，其陀螺仪主要采用单自由度液浮积分陀螺仪。七十年代后，随着动力 调谐陀螺仪制造技术及其误差理论的成熟，利顿工业公司、波音公司及斯佩理等公司 相继研制出动力调谐陀螺仪的捷联惯导系统。七十年代中期至末期，霍尼韦尔公司、 哈密尔顿标准分公司 、雷锡恩公司、波音公司、沃特公司等公司也先后出了激光陀螺 与磁传感器和 GPS组合的捷联式惯性系统 9。自此，随着现代控制论和计算机技术的 迅速发展，使得以惯导系统为主，其它导航手段为辅的组合式导航系统得到

21、了很大的 发展，应用也日益广泛。 (2) 国内惯导系统研究现状 我国在惯导研究方面起步相对较晚，但近年来己经取得了长足进步，在军民用的 各个领域都发挥了重要作用。 我国捷联惯导系统的发展现状是，高端系统以挠性或光纤陀螺为主，低成本系统 则由微机械加速度计与压电陀螺构成，同时积极开展微机械惯性器件及其惯导系统的 理论与应用研究工作。如南京航空航天大学研制了由挠性陀螺和挠性加速度与磁传感 器组合的自主式航姿系统 ;西安电子科技大学天线与电磁散射研究所采用双轴陀螺与 加速度计组合成新型垂直陀螺，再与磁通门传感器组合成组合式航姿系统 ;中国航空 工业第一集团公司研制了一种组合航向姿态系统，采用捷联航向

22、姿态部件、捷联磁航 向传感器 GPS/GLONASS接收机指示飞机的航向角、倾斜角、和俯仰角，并测量和显 示飞机的磁航向和陀螺航向 10。 根据国内外惯导系统的发展状况，可以得出：随着电子技术、计算机技术、现代 控制理论的飞速进步，为捷联惯导技术的发展创造了有利条件；新一代低成本中等精 度的惯性仪表如激光陀螺、光纤陀螺、硅微惯性器件的研制成功，为捷联系统打下了 物质基础 ;捷联式惯导系统以及以捷联式惯导系统为基础的各种组合导航系统，成为 今后惯性导航系统发展的总趋势。 1.1.4微惯性测量组合的发展状况 (1) 国外微惯性测量组合发展状况 国外微惯性测量组合技术的发展已经有 30年的历史 11

23、，西方国家尤其是美国， 在 MEMS惯性器件，微惯性测量技术以及 微惯性导航技术等方面处于领先的优势。 随着 MEMS技术的发展，应用 MEMS技术，能制成能够测量运动物体线加速度、角 速度的惯性测量兀件 （ Inertial Measurement Unit， IMU),亦即微陀螺和微加速度计， 称为 MEMS-IMU。 MEMS惯性传感器体积小，成本低，可靠性高，在军用和民用方 面都有非常广泛的应用。 20世纪 80年代以来，美、德、法、俄等国家的一些公司相继开展微硅陀螺、微 硅加速度计等微型惯性仪表的研究，并进行微型惯性测量组合的研究。美国在 MEMS 惯性器件以及微型导航系统技术方 面

24、处于世界领先地位 121314。随着 MEMS技术的 发展，微机械惯性器件的研究取得了很大的进展。目前已有微型加速度计和微型硅陀 螺仪的商品生产，体积和重量均很小，但尚需提高精度。美国模拟器件公司 （ ADI 公司）的集成加速度计是微机械与微电子集成的标志性产品，主要用于汽车防撞气囊 的弹出控制，年产值超过 2亿美元。 ADI公司基于 MEMS技术的惯性传感器供货量已 达到 2亿只。 NJM公司正在研制使用 MEMS技术的战术级 IMU,与现有装置相比，成 本大幅降低，体积大为减小，功耗也更小。 MEMS惯性传感器正在向精度更高和集成度更高的方向发展，其中 MEMS陀螺 的发展尤为明显。 MEMS加速度计是所有 MEMS传感器中商业市场化最为成功的， 它在精度方面已能满足战略导弹的应用要求。微机械加速度计在工程上达到的精度为 1x10-4，潜在精度还可以提高一个数量级。 MEMS陀螺的性能也接近或达到战术级 导航的水平。微机械陀螺的分辨率达到 (1。 100)/，在工程上可以实现 10/力的精 度。石英微机械陀螺已批量生产，有的硅微陀螺已实用化。尽管也开发出来一些高精 度的微机械加速度计，但其价格昂贵，从整体上来说精度水平还不很高。 MEMS惯