基于地磁辅助系统的捷联惯导系统设计
发布时间：2022-08-23 21:32
制导炮弹作为一种智能弹药,以其高精度与高效费比等优点,逐渐受到各国的青睐。实际弹道探测技术是实现炮弹制导的前提,采用惯性导航技术可以实现弹丸的位置以及姿态的实时测量,但高精度的激光陀螺其体积过大,价格昂贵,而小体积的MEMS惯导元件往往有较大的误差,会严重影响解算精度,本次设计将引入地磁传感器系统以辅助惯导系统,从而减小陀螺仪积分误差的影响。本文基于惯性导航技术的原理,对整个惯导系统进行了设计。该系统采用DSP+FPGA架构,以MEMS陀螺仪与加速度计构成惯性传感器,并使用三轴磁阻传感器作为惯导的辅助系统,建立了基于地磁辅助的惯性导航系统。文章首先分析了捷联惯导系统的原理与数学模型的建立,然后分析了地磁导航辅助系统的原理,实现了整体系统的硬件平台、软件结构与算法等。通过分析捷联惯导系统的原理,设计了整个系统的硬件电路平台。首先完成了陀螺仪+加速度计的捷联惯导系统的设计,然后设计了地磁辅助系统进一步提高捷联惯导系统的导航精度。本文的重点和难点是针对弹载环境的条件下,如何设计出小体积、高抗过载、低功耗捷联惯导系统以及地磁辅助系统与捷联惯导系统的解算算法。全文最后完成了惯导系统的设计与测试实...
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题意义和研究背景
1.2 国内外发展现状
1.3 课题主要研究内容
2 捷联惯导系统介绍
2.1 常用坐标系的定义
2.1.1 站心坐标系
2.1.3 载体坐标系(O_1xyz)
2.1.4 准载体坐标系(O_4xyz)
2.1.5 地磁坐标系(Gxyz)
2.2 坐标系的变换关系
2.2.1 坐标旋转矩阵
2.2.2 常用坐标转换
2.3 四元数的基本理论与姿态更新算法
2.3.1 四元数
2.3.2 四元数微分方程的解法
2.4 捷联惯导系统的基本方程
2.5 捷联惯导系统的数学模型
2.6 捷联惯导的速度误差补偿
2.7 本章小结
3 地磁场基本理论及地磁测量姿态的原理
3.1 地磁场模型
3.2 地磁矢量在常用坐标系下的表示:
3.3 固联于载体磁阻传感器测的地磁曲线变化规律和校准方法
3.3.1 利用地磁传感器与惯性传感器的静态初始对准
3.3.2 利用地磁曲线对载体滚转角度的动态校准方法
3.4 本章小结
4 系统硬件设计
4.1 主控电路设计
4.1.1 主控芯片简介
4.1.2 DSP最小系统设计
4.1.3 DSP外扩FPGA和FLASH的方案设计
4.1.4 FPGA配置电路设计
4.1.5 通讯接口设计
4.1.6 电源电路设计
4.2 惯性测量系统硬件设计
4.2.1 惯性测量系统加速度计、陀螺仪电路设计
4.2.2 惯性测量系统ADC电路设计
4.2.3 惯性测量系统电源电路设计
4.3 地磁测姿系统电路设计
4.3.1 地磁测姿系统磁阻传感器
4.3.2 地磁测姿系统信号放大电路
4.3.3 地磁测姿系统偏置补偿电路
4.3.4 地磁测姿系统电源电路
4.3.5 地磁测姿系统误差分析
4.4 印制电路板(PCB)设计
4.4.1 主控电路PCB设计
4.4.2 地磁传感器PCB设计
4.5 本章小结
5 惯性导航系统的软件设计与实现
5.1 DSP系统软件的设计
5.1.1 系统初始化
5.1.2 外设配置及调零
5.1.3 导航算法的程序结构
5.1.4 Nandflash烧写程序
5.2 FPGA的软件设计
5.2.1 加速度数据的采集
5.2.2 陀螺仪数据的采集
5.2.3 地磁数据的采集
5.2.4 原始数据的滤波算法
5.2.5 FPGA与DSP的通信接口设计
5.3 本章小结
6 系统测试结果及误差分析
6.1 系统模块通信的测试结果波形
6.2 实验结果及数据
6.2.1 有无地磁融合条件下的数据比对
6.2.2 姿态数据与精确惯导模块的数据比对
6.2.3 导航信息的测量数据
6.3 系统误差的分析
6.4 本章小结
7 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 展望
致谢
参考文献
附录
本文编号：3678521
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题意义和研究背景
1.2 国内外发展现状
1.3 课题主要研究内容
2 捷联惯导系统介绍
2.1 常用坐标系的定义
2.1.1 站心坐标系
2.1.3 载体坐标系(O_1xyz)
2.1.4 准载体坐标系(O_4xyz)
2.1.5 地磁坐标系(Gxyz)
2.2 坐标系的变换关系
2.2.1 坐标旋转矩阵
2.2.2 常用坐标转换
2.3 四元数的基本理论与姿态更新算法
2.3.1 四元数
2.3.2 四元数微分方程的解法
2.4 捷联惯导系统的基本方程
2.5 捷联惯导系统的数学模型
2.6 捷联惯导的速度误差补偿
2.7 本章小结
3 地磁场基本理论及地磁测量姿态的原理
3.1 地磁场模型
3.2 地磁矢量在常用坐标系下的表示:
3.3 固联于载体磁阻传感器测的地磁曲线变化规律和校准方法
3.3.1 利用地磁传感器与惯性传感器的静态初始对准
3.3.2 利用地磁曲线对载体滚转角度的动态校准方法
3.4 本章小结
4 系统硬件设计
4.1 主控电路设计
4.1.1 主控芯片简介
4.1.2 DSP最小系统设计
4.1.3 DSP外扩FPGA和FLASH的方案设计
4.1.4 FPGA配置电路设计
4.1.5 通讯接口设计
4.1.6 电源电路设计
4.2 惯性测量系统硬件设计
4.2.1 惯性测量系统加速度计、陀螺仪电路设计
4.2.2 惯性测量系统ADC电路设计
4.2.3 惯性测量系统电源电路设计
4.3 地磁测姿系统电路设计
4.3.1 地磁测姿系统磁阻传感器
4.3.2 地磁测姿系统信号放大电路
4.3.3 地磁测姿系统偏置补偿电路
4.3.4 地磁测姿系统电源电路
4.3.5 地磁测姿系统误差分析
4.4 印制电路板(PCB)设计
4.4.1 主控电路PCB设计
4.4.2 地磁传感器PCB设计
4.5 本章小结
5 惯性导航系统的软件设计与实现
5.1 DSP系统软件的设计
5.1.1 系统初始化
5.1.2 外设配置及调零
5.1.3 导航算法的程序结构
5.1.4 Nandflash烧写程序
5.2 FPGA的软件设计
5.2.1 加速度数据的采集
5.2.2 陀螺仪数据的采集
5.2.3 地磁数据的采集
5.2.4 原始数据的滤波算法
5.2.5 FPGA与DSP的通信接口设计
5.3 本章小结
6 系统测试结果及误差分析
6.1 系统模块通信的测试结果波形
6.2 实验结果及数据
6.2.1 有无地磁融合条件下的数据比对
6.2.2 姿态数据与精确惯导模块的数据比对
6.2.3 导航信息的测量数据
6.3 系统误差的分析
6.4 本章小结
7 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 展望
致谢
参考文献
附录
本文编号：3678521
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