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嵌入式MEMS-INS数据采集与处理系统的设计

作 者: 夏凡
导 师: 唐炜
学 校: 江苏科技大学
专 业: 机械制造及其自动化
关键词: MIMU 同步数据采集 CAN 小波去噪
分类号: TP274
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


惯性导航技术利用惯性测量元件测量载体相对惯性空间的运动参数,最终用于确定载体的姿态、速度和位置等参数,现已成功地应用于航海、航天等诸多领域。微惯性测量单元MIMU作为一种特殊的组合型MEMS惯性传感装置,具有成本低、尺寸小等特点,已越来越多地应用于惯性导航系统中,形成了新一代的微惯导系统。MIMU输出的导航原始数据对导航最终精度有着至关重要的影响,而目前MIMU普遍存在着精度不高、稳定较差等问题,因此限制了其在高精度导航领域中的应用。本课题针对单一MIMU微惯导系统难以满足现代导航的高精度要求,通过对多MIMU组网、数据同步采集与处理技术进行研究,利用较高精度的主惯导对微惯导系统进行定期修正,以提高微惯导系统的导航精度,这对研究如何拓展MIMU在高精度导航领域中的应用有重要的现实意义。本文在分析MEMS惯性器件原理的基础上,针对其精度不高的问题,基于CAN总线设计了一种多通道MIMU数据同步采集系统,以期为后续数学平台实时解算提供真实可靠的数据源。该数据采集系统由数据采集模块、时间基准模块、数据管理模块、工控机端模块等组成。其中,时间基准模块保证了数据采集的同步性;数据管理模块和数据采集模块采用485主从式通信,确保了多路传感器数据有序的运行;数据管理模块与工控机端模块之间采用CAN通信方式,可保证通信的高可靠性和稳定性。采用altium designer对各模块电路进行PCB设计,采用C51语言进行单片机程序设计,以完成232、485、CAN通信功能和数据预处理功能,远程工控机端人机界面采用MFC设计,主要完成CAN通信功能、数据分离、处理、显示功能。最后介绍了系统各模块软硬件调试结果,对系统相关网络通信的误码率进行了测试,并在此基础上对固定于转台上的MIMU进行数据采集和分析:在研究小波去噪原理基础上,采用小波模极大值和小波阈值去噪法分别对采集到的静态、动态传感器数据进行去噪和重构,并对两种方法进行了评价和比较。实验结果表明:嵌入式MEMS-INS数据采集与处理系统的软硬件设计方案切实可行;CAN网络通信可靠性较高,多MIMU数据能有序地在CAN网络中传输,可为微惯性系统导航精度的最终提高提供稳定可靠的数据源。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-13
第1章 绪论  13-20
  1.1 课题研究背景及意义  13-14
  1.2 课题研究相关发展现状  14-17
    1.2.1 惯性导航系统  14-15
    1.2.2 MEMS 惯性器件的发展现状  15-16
    1.2.3 微惯性导航系统的发展  16-17
  1.3 相关技术国内外发展状况  17-19
    1.3.1 数据采集系统  17
    1.3.2 CAN 总线技术  17-18
    1.3.3 小波分析在信号降噪中的应用  18-19
  1.4 主要研究内容  19-20
第2章 MEMS 惯性技术分析及选型  20-28
  2.1 MIMU 基本原理  20-24
    2.1.1 MEMS 陀螺仪  21-22
    2.1.2 MEMS 加速度计  22-24
  2.2 MIMU 性能指标  24-25
  2.3 MIMU 选型  25-27
  2.4 本章小结  27-28
第3章 系统硬件设计  28-43
  3.1 系统总体方案设计  28-30
  3.2 数据采集模块  30-32
    3.2.1 RS232 通信  30-31
    3.2.2 RS485 通信  31
    3.2.3 单片机最小系统  31-32
  3.3 数据管理模块  32-35
    3.3.1 CAN 控制器和收发器  33-34
    3.3.2 CAN 接口电路  34-35
  3.4 时间基准模块  35-38
    3.4.1 时间同步的意义  35-36
    3.4.2 模块硬件设计  36-38
  3.5 工控机端模块  38-39
    3.5.1 CAN 卡基本原理  38-39
    3.5.2 CAN 卡技术参数  39
  3.6 PCB 设计  39-42
    3.6.1 Altium Designer 简介  39-40
    3.6.2 PCB 设计流程  40
    3.6.3 布局布线  40-42
    3.6.4 其他抗干扰措施  42
  3.7 本章小结  42-43
第4章 系统软件设计  43-54
  4.1 数据采集模块软件设计  43-45
    4.1.1 KeilC51 简介  43-44
    4.1.2 主程序  44-45
    4.1.3 中断服务程序  45
  4.2 数据管理模块软件设计  45-50
    4.2.1 485 主从式通信  46-47
    4.2.2 CAN 通信子程序  47-50
  4.3 工控机端软件设计  50-53
    4.3.1 MFC 简介  50
    4.3.2 基于 MFC 的工控机端软件设计  50-53
  4.4 本章小结  53-54
第5章 小波分析基本理论  54-65
  5.1 傅里叶变换与小波分析  54-56
    5.1.1 傅里叶变换  54-55
    5.1.2 小波分析  55-56
  5.2 小波变换  56-60
    5.2.1 连续小波变换  56
    5.2.2 离散小波变换  56-57
    5.2.3 MRA 法  57-59
    5.2.4 几种常用小波  59-60
  5.3 基于小波分析的降噪方法研究  60-64
    5.3.1 模极大值去噪法  60-62
    5.3.2 小波阈值去噪法  62-64
  5.4 本章小结  64-65
第6章 系统测试及数据处理  65-78
  6.1 系统调试  65-70
    6.1.1 系统调试整体思想  65
    6.1.2 主要调试工具  65-66
    6.1.3 调试现场和调试结果  66-68
    6.1.4 系统网络可靠性测试  68-70
  6.2 实测 MIMU 静态信号的降噪分析  70-73
    6.2.1 静态 MIMU 信号去噪效果的评估标准  70
    6.2.2 静态加速度信号去噪  70-72
    6.2.3 静态角速率去噪  72-73
  6.3 实测 MIMU 转动信号的降噪分析  73-77
    6.3.1 MIMU 转动过程中加速度信号去噪  73-75
    6.3.2 MIMU 转动过程中角速率信号去噪  75-77
  6.4 本章小结  77-78
结论  78-80
参考文献  80-83
攻读硕士学位期间发表的学术论文目录  83-84
致谢  84

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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