基于磁传感器的航姿系统的实现与补偿技术

学校代码：10289分类号：V249.3密级：公开学号：062030049江苏科技大学硕士学位论文基于磁传感器的航姿系统的实现与补偿技术研究生姓名袁勇导师姓名朱志宇申请学位类别工学硕士学位授予单位江苏科技大学学科专业控制理论与控制工程论文提交日期2008年12月22日研究方向导航、制导与控制论文答辩日期2009年3月14日答辩委员会主席评阅人2008年12月22日基于磁传感器的航姿系统的实现与补偿技术袁勇江苏科技大学分类号：V249.3密级：公开学号：062030049工学硕士学位论文基于磁传感器的航姿系统的实现与补偿技术学生姓名袁勇指导教师朱志宇教授江苏科技大学二OO八年十二月AThesisSubmittedinFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringTheImplementationandCalibrationAlgorithmforAHRSwithMagneticSensorsSubmittedbyYuanYongSupervisedbyProfessorZhuZhiyuJiangsuUniversityofScienceandTechnologyDecember,2008论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得江苏科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日期：学位论文使用授权声明江苏科技大学有权保存本人所送交的学位论文的复印件和电子文稿，可以将学位论文的全部或部分上网公布，有权向国家有关部门或机构送交并授权其保存、上网公布本学位论文的复印件或电子文稿。本人电子文稿的内容和纸质论文的内容一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。研究生签名：导师签名：日期：日期：摘要I摘要姿态与航向参考系统(AHRS)是一种能在任意姿态下测量飞机、车辆或船舰等载体航向、姿态的装置。考虑到成本、体积、性能等因素，目前，以MEMS器件为基础的磁阻传感器、角速度陀螺和加速度计等器件等一直都被广泛地应用在航姿参考系统中。MEMS角速度陀螺短时精度高，但是解算后的姿态长时漂移比较大。磁阻传感器虽然能够寻北，并且在加速度计的配合下能够提供航姿信息，但是其航向的输出极易受外界干扰磁场的影响而使精度降低，且其提供航向的动态精度较差。因此，做到优势互补，基于MEMS器件，研制出一种成本低、体积小、精度高的航姿系统，对于飞行器、车辆及船舶的姿态与航向辅助控制研究是很有意义的。本文以低精度MEMS传感器元件为基础，基于ARM处理器，研究与设计了一种微型MEMS姿态与航向参考系统。首先，分别介绍了利用磁阻传感器与陀螺仪，计算载体姿态的理论基础。其次，基于ARM处理器，针对某型号微小型直升机，作者搭建了姿态与航向系统的系统框架，并根据实际应用，进行了系统的工程化设计，基于信息融合理论，将陀螺仪数据、加速度数据、磁传感器数据进行融合，基于状态方程，进行了扩展卡尔曼滤波，提高了系统的精度与可靠性。然后，详细介绍了系统具体的开发流程，对陀螺进行了温度补偿，同时对磁罗盘进行了软硬铁补偿。随后，作者使用matlab利用实际采集数据，进行了温度补偿算法的仿真与验证。论文的最后，对全文进行了总结，指出了今后应该继续开展研究的方向。论文基于具体型号的应用，设计并实现了微小型姿态航向系统，并将其工程化，已经得到了推广。基于该系统，作者对实际应用中出现的问题进行了分析，并尝试多种算法提高系统精度。本文对于微小型姿态航向系统的开发具有极强的参考价值。关键词：AHRS；MEMS；扩展卡尔曼滤波；温度补偿；ARMAbstractIIAbstractTheAttitudeandHeadingReferenceSystem(AHRS)isanequipmentthatcanmeasuretheheadingandtheattitudeofthecarriersuchasplanes,vehicleorshipsinanyattitudeconditions.Concerningthefactorsofcost,sizeandperformance,theMEMS-basedmagnetoresistive(MR)sensors,gyroscopesandaccelerometersarealwayswidelyusedintheAHRS.AsthestrapdownmatrixcanholdhighprecisionafterinitialalignmentofAHRSinshorttimeforthegyro’sshort-termprecision,itcouldnotkeeptheaccuracyforalongperiodoftimebecauseofthegyro’sdrifting.Themagnetoresistive(MR)sensorscanfindthenorthimmediatelyandautomaticallywiththeaiddingofaccelerometers.Theprecisionofheadingoutputisaffectedbythedistortionofoutsidemagneticfield.Anditsdynamicqualityisweak.ItismeaningfultodevelopanAttitudeandHeadingReferenceSystembasedonMEMSparts,anditcouldavailtocarriercontrolwithattitudeaidded.ThispaperisbasedontheMEMSparts,researchandimplementanAHRSontheARMplatform.First,wewillintroducethetheorybackgroundofstrapdownsystem.Second,wewilldevelopthesystemarchitectureofAHRSonARMplatformaimatsometypesofmini-helicopter.Wewillcarryoutthesystemintegrationanddatafusionwiththeconcernofpracticalapplicationwiththeextendedkalmanfilter.Third,wewillgivethetemperaturecompensationmethodofthegyroscopesandthesoftiron/hardironcalibrationmethodofmagnetoresistive(MR)sensors.Therealtestingdataanalysisisdoneviathematlabcomputationandsimulation.Intheend,wewillconcludethepaperandwewillgivethedirectionoffuturework.Thewholeresearchworkofthepaperisfoundedontherealmodel.Wedesignandimplementthemini-AHRSanditcomeswithaboardapplication.Theauthorhasanalyzedallkindsofproblemsinpracticeandtrieddifferentmethodstoimprovethesystemperformance.Thepaperwillbethevaluablereferencetothedevelopmentofmini-AHRS.KeyWords:AttitudeandHeadingReferenceSystem(AHRS);MEMS;ExtendedKalmanFilter;TemperatureCalibration;ARM目录III目录摘要..............................................................................................................................IAbstract.......................................................................................................................II目录...........................................................................................................................III第1章绪论...........................................................................................................11.1航姿导航系统概况.........................................................................................11.2论文研究的背景及必要性.............................................................................21.3研究MEMS航姿态参考系统的目的与意义...............................................31.4本文研究的内容与文章体系.........................................................................4第2章姿态与航向参考系统理论基础.....................................................................62.1磁导航系统原理.............................................................................................62.2惯性导航系统原理.........................................................................................82.2.1坐标系及坐标转换...............................................................................82.2.2常用捷联姿态算法.............................................................................112.3本章小结.......................................................................................................16第3章姿态与航向参考系统的原理与设计...........................................................173.1小型化AHRS航姿系统方案............