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基于MEMS的嵌入式组合导航系统研究与设计

作　者: 张建强
导　师: 郭斯羽
学　校: 湖南大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 捷联惯导 GPS 组合导航 MEMS 卡尔曼滤波
分类号: V249
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 23次
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内容摘要


论文以某型无人机的控制系统开发为项目背景，对嵌入式组合导航技术展开了研究，并设计研制了一套基于微机电（Micro-Electromechanical Systems，MEMS）器件的嵌入式机载导航系统。本文首先研究了捷联惯导（Strap-down Inertial Navigation System，SINS）和全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的原理及特点，实现了捷联惯导解算算法，包括姿态矩阵更新、速度和位置计算等，在此基础上建立了捷联惯导系统的误差模型。分析了GPS与SINS的组合模式及校正方式，并采用速度、位置组合设计了基于卡尔曼滤波器的组合导航算法。仿真实验表明，组合导航系统大大提高了单一GPS或SINS导航的精度。在分析小型无人机对机载导航系统功能及性能需求的基础上，设计了基于MEMS惯性器件的嵌入式GPS/SINS组合导航系统方案。论文完成了器件选型，包括MEMS惯性传感器、GPS接收机、导航处理器等，完成了电源设计、导航处理器TMS320C6713和控制器TMS320F28335的外围电路设计、传感器接口及片外存储器接口电路等硬件电路设计。基于设计的硬件平台，开发了系统软件，其中导航处理器TMS320C6713的软件主要包括GPS数据包解码程序、捷联惯导解算程序和卡尔曼滤波程序等；控制器TMS320F28335中的软件主要为数据采集和输出程序，以及控制相关的一些程序。论文所研究的项目完成了样机调试，进行了系统实验，包括三轴转台静态试验和无人机搭载飞行试验。试验结果表明，本系统工作正常，实现了预期功能，可以得出结论：本系统设计是成功的。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章 绪论  9-15
  1.1 选题的背景和意义  9-11
  1.2 微型惯性器件  11-12
  1.3 GPS/SINS 组合导航系统的发展和研究现状  12-13
  1.4 本文主要研究内容及章节安排  13-15
第2章 捷联式导航算法与组合理论  15-26
  2.1 捷联惯性导航系统  15-21
    2.1.1 常用坐标系及其转换关系  15-17
    2.1.2 地球几何参数说明  17
    2.1.3 捷联式惯性导航系统原理  17-18
    2.1.4 姿态矩阵更新计算方法  18-19
    2.1.5 导航解算原理  19-21
  2.2 GPS 导航系统  21-23
    2.2.1 GPS 系统组成  21-22
    2.2.2 GPS 卫星信号及导航电文  22
    2.2.3 GPS 定位原理  22-23
    2.2.4 GPS 误差  23
  2.3 GPS/SINS 组合模式  23-25
  2.4 本章小结  25-26
第3章 基于 Kalman 滤波的 GPS/SINS 组合导航算法研究  26-45
  3.1 捷联惯导系统误差  26-29
    3.1.1 惯性器件误差模型  26-27
    3.1.2 姿态角误差模型  27-28
    3.1.3 速度误差模型  28-29
    3.1.4 位置误差模型  29
  3.2 卡尔曼滤波原理  29-32
    3.2.1 卡尔曼滤波的理论基础  29-30
    3.2.2 卡尔曼滤波方程  30-32
  3.3 组合滤波器设计  32-36
    3.3.1 系统状态方程  32-35
    3.3.2 系统量测方程  35-36
  3.4 组合导航的校正方式  36-37
  3.5 捷联惯导及组合导航算法仿真实验  37-44
  3.6 本章小结  44-45
第4章 机载嵌入式组合导航系统设计  45-73
  4.1 系统总体方案设计  45-47
    4.1.1 系统需求分析  45-47
    4.1.2 系统总体结构  47
  4.2 系统硬件设计  47-62
    4.2.1 惯性测量单元及其接口电路设计  48-51
    4.2.2 GPS 接收机  51-53
    4.2.3 导航处理器及存储接口设计  53-59
    4.2.4 电源电路设计  59-62
  4.3 系统软件设计  62-72
    4.3.1 系统软件开发流程  62-67
    4.3.2 数据采集软件设计  67-70
    4.3.3 组合导航软件设计  70-72
  4.4 本章小结  72-73
第5章 系统实验与结果分析  73-82
  5.1 静态试验  73-74
  5.2 无人机搭载飞行试验  74-81
  5.3 试验结果分析  81
  5.4 本章小结  81-82
总结与展望  82-84
参考文献  84-87
致谢  87-88
附录 A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)  88-89
附录 B (飞行试验原始数据)  89-94

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 飞行控制系统与导航
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