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基于MEMS器件的低成本微慣性導航系統(tǒng)設計

作者: 時間:2010-12-28 來源:網(wǎng)絡 收藏

1.2 信號采集處理與傳輸模塊
根據(jù)慣性特性,在留有余度的基礎上選用16位高精度A/D采集芯片ADS8344,其8個通道循環(huán)采樣,轉(zhuǎn)換速率可調(diào)且最大為100 kHz,采用SPI接口與CPU通信??紤]運算速度及方便使用,CPU選擇ADI公司的ADuC842單片機,該單片機主頻可達16.67 MHz,片上自帶8路12位A/D,可用于溫度信號的采集,并完成陀螺和加速度計信號的讀取、預處理以及溫漂補償?shù)炔僮?,最終通過RS 232與導航計算機通信。
1.3 導航計算機
捷聯(lián)式慣性導航算法非常復雜,運算量很大,需建立“數(shù)學平臺”以代替平臺慣導的機械平臺。為滿足系統(tǒng)的實時性要求,選擇臺灣昭營科技的主頻1.2 GHz,內(nèi)存512 MB的嵌入式小型計算機eBox4850作為導航計算機,可以很好地滿足要求。

2 信號預處理
微慣性,尤其是微陀螺技術目前還不是很成熟,低成本的MIMU在性能和精度上都存在較大的缺陷,野值比較明顯,噪聲水平也比較高。利用先前已在MEMS陀螺降噪方面所做的工作,在此先在單片機中對信號做預處理,再利用降噪算法在導航計算機中進行陀螺降噪,最后完成導航解算,以獲得較好的處理效果??紤]單片機系統(tǒng)的處理能力及實時性,本文采用均值濾波算法做預處理,即對每組采集的7個數(shù)據(jù),首先去除最大值x(1)和最小值x(7),剩余數(shù)據(jù)記為x(2),x(3),x(4),x(5),x(6);然后將x(2),x(3)的均值,x(3),x(4),x(5)的均值,x(5),x(6)的均值再平均后作為預處理后的輸出數(shù)據(jù)。
目前已經(jīng)廣泛應用到眾多導航設備中。姿態(tài)更新計算是捷聯(lián)式慣導的關鍵算法,主要有歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法。其中四元數(shù)法具有計算量小、精度高、可避免奇異性等優(yōu)點,本文采用此方法作為姿態(tài)更新算法。圖2、圖3為陀螺及加速度計靜態(tài)信號在數(shù)據(jù)預處理前后在Matlab中的仿真圖,由圖可見,均值濾波預處理算法效果較好,其中的奇異值基本消除。
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3 捷聯(lián)解算(SINS)
在此設計的捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)工作原理圖如圖4所示。將MEMS陀螺和MEMS加速度計直接固聯(lián)在運載體上,通過導航計算機依靠算法建立導航坐標系,即平臺坐標系以數(shù)學平臺形式存在,省略了復雜的物理平臺,具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/162532.htm

3.1 姿態(tài)矩陣
設導航坐標系為n,運載體坐標系為b,俯仰角δ、橫滾角θ、航向角φ,由導航坐標系至運載體坐標系的姿態(tài)變化矩陣為:
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3.2 四元數(shù)即時修正及歸一化
設載體坐標系相對導航坐標系的轉(zhuǎn)動四元數(shù)為公式(1),其中Wx、Wy、Wz為經(jīng)過補償后的3軸捷聯(lián)MEMS陀螺輸出。
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在更新過程中,由于存在計算誤差,姿態(tài)矩陣成為非正交陣,因此需要正交化處理以消除非正交引起的算法誤差,處理方法為用式(3)中的替換Q中的相應qi即可。
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關鍵詞: 傳感器

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